Ученые обнаружили бистабильность графена
 Схематическое изображение процесса туннелирования электронов между двумя листами графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Графен представляет собой одноатомный слой углерода, где атомы образуют гексагональную кристаллическую решетку. Этот материал обладает уникальной зонной структурой, которая разительно отличается от ситуации в обычных полупроводниках и металлах. Электроны, перемещаясь внутри этого плоского материала, ведут себя, как частицы, не имеющие массы покоя (как фермионы) со скоростями выше 106 метров в секунду. Графен не имеет запрещенной зоны, т.е. валентная зона и зона проводимости этого материала встречаются в точке, названной в честь Поля Дирака, чья релятивистская теория квантовой механики позволяет понять и смоделировать движение безмассовых фермионов в двумерном материале.
Как показала последняя работа совместной группы ученых из University of Manchester и University of Nottingham (Великобритания), графен и другие двумерные кристаллы, к примеру, нитрит бора и металлический дихалькогенид, могут быть объединены в гетероструктуру с целым рядом потенциально новых приложений. С помощью методики точной настройки этого стека, исследователи смогут создавать материалы с новыми электронными и оптическими свойствами, намного превосходящими аналогичные показатели обычных полупроводников.
В рамках своей работы совместная группа ученых создала резонансный туннельный транзистор, в котором носители заряда (электроны и дырки проводимости) туннелировали между двумя листами графена через слой нитрида бора толщиной порядка 1 нм. При этом листы графена выполняли роль электродов истока и стока для носителей заряда. Вся эта многослойная структура была смонтирована на подложке из окисленного легированного кремния, который выступал в роли третьего электрода – затвора.
При подаче на электроды напряжения смещения, между двумя пластинами графена через нитрит бора появляется туннельный ток электронов. Исследователи на эксперименте могли контролировать этот ток, изменяя напряжение на электродах. В ходе этого изменения они смогли выровнять энергии точек Дирака обеих листов графена, что обеспечило возможность туннелирования при сохранении энергии и импульса носителей заряда.
Как объясняют сами ученые, когда устройство правильно настроено, ток, протекающий через него, максимален. Если же напряжение смещения поднимается выше этого значения, туннельный ток резко уменьшается. Как считают ученые, таким образом, устройство демонстрирует отрицательную дифференциальную проводимость, важную не только для ученых, но и для инженеров-электронщиков.
Среди возможных практических применений обнаруженного явления – создание цепей, работающих при чрезвычайно высоких частотах (в терагерцовой области электромагнитного спектра). Устройства, работающие в этом диапазоне, пользуются большим спросом в сфере безопасности, а также в медицине.
Также необычная зависимость тока от напряжения смещения может быть использована для создания бистабильных цепей, в которых ток может иметь одно и то же значение при двух разных напряжениях. В будущем этот эффект может найти широкое применение при построении логических схем на основе графена и других двумерных материалов.
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications.
Также по теме:
- Создан симбиоз графена и углеродных нанотрубок
- Ученые создали высокочувствительные химические датчики на базе чистого графена
- Магнитные деффекты влияют на спин электронов в графене
- «Атомный коллапс» в графене
- Графен с дефектами применим для охлаждения
Источники: