Группа учёных из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники РАН и зарубежных исследовательских институтов представила уникальное открытие в области наноэлектроники. Был обнаружен инновационный механизм прохождения электронов через туннельные барьеры, что позволяет существенно повысить эффективность работы нанотранзисторов на основе двумерных материалов. Это достижение открывает новые горизонты в проектировании и диагностике элементов электроники будущего.
Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры: современная база наноэлектроники
Современная электронная техника стремительно движется в сторону миниатюризации благодаря применению атомарно тонких материалов. В последние годы особую популярность приобрели ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, где сочетаются проводящие и изолирующие слои, такие как графен и гексагональный нитрид бора (hBN). Структуры, напоминающие по своей архитектуре «сэндвичи», позволяют создавать электронные устройства с уникальными характеристиками, не достигнутыми ранее.
Гексагональный нитрид бора выступает как эффективный туннельный барьер, обеспечивающий изоляцию между слоями графена. Хотя длительное время считалось, что электроны преодолевают такие барьеры исключительно упругим способом — то есть без потери энергии, — новые исследования позволяют взглянуть на процесс иначе.
Дефекты и их неожиданный вклад в транспорт заряда
В традиционном понимании перенос электрона через туннельный барьер базировался на предположении преодоления изоляционного слоя одним действием. В ряде случаев в структуре изолятора могли возникать единичные дефекты, по которым частицы проходили, используя их в качестве своеобразных «островков» на пути. Однако было доказано, что при наличии двух близко расположенных дефектов механизм движения радикально меняется.
Результаты экспериментов подтвердили: электронам зачастую выгоднее распылять часть энергии, преодолевая барьер не напрямую, а совершая серию коротких неупругих переходов. Один шаг происходит на первый дефект, затем — переход на соседний, при этом часть энергии теряется (например, за счёт излучения фонона или плазмона). Такой маршрут оказывается эффективнее, чем прямой одношаговый переход.
Новый взгляд на туннелирование: неупругие процессы
Многие представления о квантовых переходах в нанотранзисторах из прошлого столетия связывались с полностью упруго протекающими процессами. Однако эти эксперименты доказывают, что соучастие неупругого туннелирования, сопровождающегося передачей энергии от электрона другим частицам или квантованным колебаниям, играет ключевую роль. В итоге появляется новый способ контроля электрического тока в устройствах субмикронного масштаба, что становится важнейшей платформой для развития микро- и наноэлектроники.
Особое значение открытия заключается в том, что оно даёт уникальную возможность сверхточной диагностики. Используя разработанный метод туннельной спектроскопии, исследователям удалось с высокой точностью определить ширину запрещённой зоны в двухслойном графене (42 мэВ), а также выявить подобные характеристики у муаровой сверхструктуры графена (7 мэВ). Кроме того, была измерена точная величина угла поворота кристаллических решёток (около 1°), что ранее представляло сложную задачу для специалистов.
Новый класс транзисторов и перспективы для энергоэффективной электроники
Преимущества выявленного механизма туннелирования выходят далеко за рамки фундаментальной науки. На их основе был создан уникальный нанотранзистор, рабочий принцип которого построен на резкой активации неупругого прохождения электронов. В отличие от классических устройств, в новых транзисторах переключение и управление током происходит при значительно меньших величинах приложенного напряжения — это обещает революцию в создании энергоэффективных компонентов.
Ранее в туннельных транзисторах стремились ограничить вероятность неупругого туннелирования, чтобы обеспечить чёткий, предсказуемый сигнал. В то же время открытие доказало, что правильное управление такими процессами позволяет не просто экономить энергию, но и создавать устройства, намного превосходящие по точности и скорости современные аналоги.
Новые транзисторы открывают путь к производству сверхминиатюрных электронных приборов, потребляющих минимальное количество энергии — это является одним из решающих факторов для реализации интернета вещей, носимой электроники, медицинских сенсоров и других перспективных направлений отрасли.
Международное сотрудничество и масштабы исследования
Впечатляющий результат стал возможен благодаря тесному международному сотрудничеству. К проекту присоединились учёные из Японии, Китая, Сингапура и Армении. Такой междисциплинарный подход позволил объединить компетенции в области материаловедения, квантовой физики и прикладной электроники, что стало основой для проведения уникальных экспериментов и анализа их результатов на мировом уровне.
Полученные выводы уже внедряются в программные комплексы для моделирования квантового транспорта в нанотранзисторах. В ближайшем будущем это позволит разрабатывать целое семейство новых приборов с рекордной энергоэффективностью, отвечающих самым строгим требованиям мировой наноэлектроники.
Оптимистичный взгляд в будущее нанотехнологий
Открытие нового механизма туннелирования в устройствах на основе двумерных материалов знаменует собой прорывное событие для всей современной электроники. Благодаря такому подходу становится возможным не только создавать более совершенные транзисторы и сенсоры, но и тонко контролировать их работу, добиваясь высочайшей согласованности и минимальных потерь.
Ожидается, что дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований в этой области ускорит внедрение инновационных нанотехнологий, актуальных для бытовых, медицинских, научных и промышленных задач. Рост качества и уникальных свойств новых транзисторов на графене и гексагональном нитриде бора позволит дать «зелёный свет» совершенно новому поколению энергетически эффективных и экологичных электронных систем.
Инициатива МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники РАН и зарубежных коллег уже на этапе первых опытов продемонстрировала значимый вклад в мировую науку и промышленность. Эти фундаментальные открытия дают мощный задел для новых открытий и практических внедрений на стыке нанотехнологий и электроники.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
