Исследователи корпорации IBM сегодня сообщили об открытии, которое позволяет успешно бороться с одной из наиболее трудных проблем электронной индустрии, связанной с использованием графита - того самого, из которого делают грифели для карандашей - в качестве материала для создания наноэлектронных схем, значительно более миниатюрных, чем любые современные компьютерные микросхемы на основе кремния.
АТОМНАЯ «ПРОВОЛОЧНАЯ СЕТКА» ДЛЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ОТ IBM: Слева на рисунке показан одинарный слой (или пленка) атомов углерода, называемый графеном (Graphene). Электрический шум, возникающий от взаимодействия носителей заряда с веществом при прохождении через него электрического тока, возрастает по мере уменьшения устройства, что ограничивает производительность наноэлектронных элементов. Ученые IBM впервые продемонстрировали, что добавление второго слоя графена значительно снижает электрический шум (см. справа на рисунке), и это открывает привлекательную возможность потенциального применения данного материала в будущих наноэлектронных приборах.
Ученые IBM впервые нашли способ подавления паразитных помех электрических сигналов, достигаемого при миниатюризации до длины всего в несколько атомов образца графена - двумерного кристалла, состоящего из одинарного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную кристаллическую решетку. (Из графена можно «собрать» трехмерный кристалл графита. Графен можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.)
Исследователи во всем мире изучают возможности использования графена как гораздо более миниатюрной альтернативы современным кремниевым транзисторам. Графен, как уже отмечалось, обладает двумерной кристаллической решеткой, сформированной атомами углерода (которая напоминает проволочную сетку, но с размерами атомарного масштаба). Такое строение графена привлекло к нему большой интерес со стороны ученых, инженеров и технологов, поскольку оно способствует проявлению привлекательных электрических свойств и может быть использовано в транзисторах и электронных схемах, значительно меньших по размеру, чем компоненты самых крошечных современных компьютерных чипов.
Одна из проблем использования таких наноустройств - обратно пропорциональная зависимость между размером устройства и мощностью генерируемого им неуправляемого электрического шума. Иными словами, чем миниатюрнее становятся устройства, тем интенсивнее становятся электрический шум - возрастает заряд электричества, проходящего через вещество и вызывающего помехи, которые негативно влияют на характеристики этого вещества (материала) и ограничивают его полезное применение. Эта зависимость, известная как закон Хуга (Hooge's rule), справедлива как для полупроводниковых элементов на основе традиционного кремния, так и для сверхминиатюрных устройств на основе графеновых «нанопленок» и углеродных нанотрубок.
«Эффект электрического шума, подчиняющийся закону Хуга, на наноуровне возрастает многократно из-за того, что размеры полупроводникового элемента здесь достигают почти абсолютного минимума и становятся сопоставимы с размерами атомов. На этом уровне генерируемый шум может превосходить по амплитуде полезный сигнал, - поясняет доктор Фаэдон Аворис (Phaedon Avouris), ученый из IBM Research, который возглавляет исследования IBM в области углеродных нанотрубок и графена. - Как сказал знаменитый физик Рольф Ландауэр (Rolf Landauer), на наноуровне «ваш сигнал - это шум»; иными словами, вы не сможете создать пригодный для практического применения электронный прибор на наноуровне, если паразитный шум сравним по мощности с управляющим сигналом».
И вот совсем недавно исследователи из IBM обнаружили, что электрический шум в полупроводниковых элементах на основе графена может быть фактически подавлен. Ученые опубликовали сегодня результаты своего исследования в журнале Nano Letters.
Сначала в своих экспериментах ученые IBM использовали один слой (или пленку) графена для создания транзистора; при этом еще раз было подтверждено, что на полученный полупроводниковый элемент распространяется правило Хуга - действительно, по мере уменьшения размеров электронного устройства пропорционально увеличивается генерируемый им шум.
Два слоя лучше, чем один
Тем не менее, когда исследователи из IBM создали такой же элемент с двумя слоями графена вместо одного (расположенными друг над другом), они отметили, что электрический шум подавляется. Мощность помех была в достаточной степени невелика, и это дает основание предположить, что т.н. «двухслойные графеновые полоски» ("bilayer graphene ribbons") смогут доказать свою пригодность для создания полупроводниковых элементов, которые, в свою очередь, найдут широкое применение в аппаратуре связи, компьютерных системах и других электронных устройствах. Паразитный шум подавляется благодаря сильной электрической связи между двумя слоями графена, которая нейтрализует влияние источников помех. Такая структура, проще говоря, функционирует как своеобразный шумоизолятор.
Несмотря на то, что для углубленного изучения данного феномена потребуются дополнительные исследования и анализ, это достижение ученых открывает большие перспективы практического применения технологии двухслойных графеновых лент в производстве полупроводниковых комплектующих для целого спектра электронных устройств.