Команда исследователей из Пенсильванского университета; Калифорнийский университет в Беркли; И Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне предпринял попытку решить одно из таких препятствий. Демонстрируя новый способ изменения количества электронов, находящихся в данной области внутри куска графена, они доказали свою принципиальность в создании фундаментальных строительных блоков полупроводниковых устройств с использованием двухмерного материала.
Более того, их метод позволяет настраивать это значение с помощью приложения электрического поля, а это означает, что элементы схемы из графена, сделанные таким образом, могут однажды быть динамически «переподключены» без физического изменения устройства.
Исследование было результатом сотрудничества между группами Эндрю Раппа из Пенна, Лейна Мартина из Калифорнийского университета в Беркли и Moonsub Shim из Иллинойса.
Он был опубликован в журнале Nature Communications.
Кремний используется для изготовления элементов схемы, потому что его плотность носителей заряда и количество содержащихся в нем свободных электронов можно легко увеличить или уменьшить путем добавления химических примесей.
Этот процесс «легирования» приводит к появлению полупроводников «p-типа» и «n-типа», кремния с большим количеством положительных или отрицательных носителей заряда.
Переходы между полупроводниками p- и n-типа являются строительными блоками электронных устройств.
Последовательно соединенные вместе, эти p-n-переходы образуют транзисторы, которые, в свою очередь, могут быть объединены в интегральные схемы, микрочипы и процессоры.
Химическое легирование графена для получения версии материала p- и n-типа возможно, но это означает принесение в жертву некоторых из его уникальных электрических свойств. Подобный эффект возможен при приложении локальных изменений напряжения к материалу, но изготовление и размещение необходимых электродов сводят на нет преимущества, которые дает форм-фактор графена.
«Мы придумали неразрушающий обратимый способ допинга, – сказал Рапп, – который не требует каких-либо физических изменений графена."
Методика команды заключается в нанесении слоя графена, чтобы он опирался, но не связывался со вторым материалом: ниобатом лития. Ниобат лития является сегнетоэлектриком, что означает, что он полярный, а его поверхность имеет положительный или отрицательный заряд.
Приложение импульса электрического поля может изменить знак поверхностных зарядов.
«Это нестабильная ситуация, – сказал Рапп, – поскольку положительно заряженная поверхность будет стремиться накапливать отрицательные заряды, и наоборот.
Чтобы устранить этот дисбаланс, вы могли бы, чтобы другие ионы входили и связывались, или оксид терял или приобретал электроны, чтобы нейтрализовать эти заряды, но мы придумали третий способ.
"Вот графен, стоящий на поверхности оксида, но не связанный с ним. Теперь, если поверхность оксида говорит: «Я бы хотел, чтобы у меня было больше отрицательного заряда», вместо того, чтобы оксид собирал ионы из окружающей среды или приобретал электроны, графен говорит: «Я могу удерживать электроны для вас, и они будут рядом.’"
Рапп предложил использовать ниобат лития, поскольку он уже широко используется в оптической инженерии и обладает свойствами, позволяющими создавать p-n-переходы.
Исследователи воспользовались тем фактом, что определенный тип материала, периодически поляризованный ниобат лития, производится так, что он имеет «полосы» полярных областей, которые чередуются между положительными и отрицательными.
«Поскольку домены ниобата лития могут определять свойства, – сказал Шим, – разные области графена могут принимать различный характер в зависимости от природы домена под ними. Это позволяет, как мы продемонстрировали, простые средства создания p-n-перехода или даже массива p-n-переходов на единственной пластинке графена. Такая способность должна способствовать развитию графена, что может быть аналогично тому, что p-n-переходы и дополнительные схемы сделали для современной полупроводниковой электроники.
"Что еще более захватывающе, так это создание оптоэлектроники с использованием графена и возможность волновода, линзирования и периодического манипулирования электронами, заключенными в атомарно тонкий материал."
Их эксперименты также включали добавление одного затвора к устройству, что позволяло дополнительно настраивать его общую плотность несущих путем приложения различных напряжений.
Принимая во внимание, как оксид самостоятельно уравновешивает свои поверхностные заряды, или связывая ионы из водного раствора, исследователи смогли показать взаимосвязь между поляризацией оксида и плотностью носителей заряда графена, подвешенного над ним.
А поскольку поляризацию оксида можно легко изменить, тип и степень легирования нанесенного графена могут быть изменены вместе с ним.
«Вы можете прийти с наконечником, который создает определенное электрическое поле, и, просто поместив его рядом с оксидом, вы можете изменить его полярность», – сказал Мартин. «Вы пишете« верхний »домен или« нижний »домен в нужной вам области, и плотность заряда графена будет отражать это изменение. Вы можете сделать графен над этой областью p-типа или n-типа, и, если вы передумаете, вы можете стереть его и начать заново."
Эта способность представляет собой преимущество перед химически легированными полупроводниками.
После того, как атомарные примеси смешаны с материалом, чтобы изменить его плотность носителя, их невозможно удалить. В будущих исследованиях будет изучена возможность разработки динамических полупроводниковых устройств с использованием этой техники.
«В настоящее время мы не можем этого сделать, но мы хотим двигаться в этом направлении», – сказал Рэпп. Это открывает множество возможностей."