Следующее поколение миниатюрной электроники не за горами

Спрос на миниатюрные электронные устройства с высокой производительностью продолжает расти, но стандартные полупроводниковые технологии уже практически достигли предела своих возможностей. Ученые работают над созданием новых полупроводников лучше кремния — например, недавно в этом качестве был успешно испытан оксид галлия. Новая разработка, самая широкая на сегодня графеновая нанолента с электрическими свойствами, тоже превосходящими характеристики кремниевых полупроводников, обещает скорое появление следующего поколения миниатюрных электронных устройств.

Графеновые наноленты представляют собой сотоподобные структуры и, по сравнению с графеновыми и углеродными нанотрубками, являются менее известной разновидностью углеродных полупроводников. При этом они демонстрируют уникальные электронные и магнитные свойства, которыми не обладает двумерная модификация углерода — графен. Интересно, что электронные и магнитные свойства графеновых нанолент можно контролировать, изменяя их ширину и структуру краев.

Двумерный графен не имеет запрещенной зоны, т.е. полупроводниковый транзистор на его основе создать невозможно. Ученые смогли синтезировать широкую графеновую наноленту с запрещенной зоной — она может стать основой для миниатюрной электроники. Изображение: Pinshane Huang Lab

Новое совместное исследование японских и европейских ученых, проведенное в рамках проекта CREST, помогло получить первую в мире графеновую наноленту шириной в 17 атомов углерода. При этом у ленты самая узкая на сегодняшний день запрещенная зона. Исследование опубликовано в журнале Communications Materials.

Перспективные для создания миниатюрной электроники графеновые наноленты имеют разную ширину запрещенной зоны. Их можно разделить на три подсемейства (3p, 3p+1, 3p+2), причем ширина их запрещенных зон обратно пропорциональна ширине самих лент. То есть, самые широкие графеновые наноленты из подсемейства 3p+2 обладают наименьшими по ширине запрещенными зонами. 

До настоящего времени было известно о 13-элементных графеновых нанолентах, принадлежащих к подсемейству 3p+1 с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, но в результате нового исследования была синтезирована 17-элементная нанолента, принадлежащая к подсемейству 3p+2, которое отличается наименьшими запрещенными зонами. Ученые обнаружили, что экспериментально полученная запрещенная зона 17-элементных графеновых нанолент составляет 0,6 эВ. Это первая нанолента из графена с запрещенной зоной шириной менее 1 эВ, полученная контролируемым образом.

Для изготовления графеновых нанолент обычно используется нисходящий подход, но такие наноленты отличает неконтролируемая геометрия краев с множеством дефектов, а также плохие транспортные свойства при использовании в качестве транзисторных каналов. В новой разработке синтез графеновых нанолент основывался на восходящем подходе, называемом «поверхностным синтезом», а молекула на основе дибромбензола использовалась в качестве прекурсора.

Примерная схема графеновой наноленты и молекул-прекурсоров. Изображение: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

«Существует много методов синтеза графеновых нанолент, но для получения атомарно точных результатов  мы решили использовать восходящий подход. Важный аспект заключается в том, что структура прекурсора может определять окончательную структуру графеновых нанолент при использовании этого подхода», — говорится в исследовании.

Атомная и электронная структура полученных нанолент была подтверждена методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Авторы исследования рассчитывают, что новые 17-элементные графеновые наноленты станут основой для новых миниатюрных электронных устройств.