Графен открывает дверь в квантовую тератронику

Фото: МФТИ

Базовым блоком всей современной полупроводниковой электроники является p-n-переход. С точки зрения химической технологии, это контакт двух областей в полупроводнике с примесями разной валентности, подобный границе раздела белого и темного шоколада в торте. С точки зрения механики носителей тока (электронов) p-n-переход является ступенькой. Говоря более строго — энергетическим барьером. Этот барьер обусловлен, однако, не преодолением силы тяжести, а преодолением противодействия со стороны внутреннего электрического поля в p-n-переходе. «Химическое» и «механическое» представления глубоко связаны друг с другом, и оказывается, что разная валентность примесей по двум сторонам полупроводника обязана создавать энергетический барьер.

Наличие ступенчатого барьера для электронов в p-n-переходе определяет его главную функцию в электронике: этот переход является «односторонним проводником», ток в нем может течь лишь при одной полярности поданного напряжения. Напряжение открывающей полярности снижает высоту ступеньки для электронов, и они могут легко перепрыгнуть через нее благодаря случайному тепловому движению. В середине ХХ века стало ясно, что комбинирование двух p-n-переходов позволяет создать транзистор, базовый элемент для обработки логических нулей и единиц в цифровых схемах, а комбинация нескольких транзисторов позволяет реализовать всю двоичную логику на чипе.

Для некоторых электронных приложений обычных p-n-переходов оказалось недостаточно. Уже в 60-е годы XX века было обнаружено, что p-n-переходы могут проводить ток не благодаря прыжкам высокоэнергетических электронов над ступенькой, а благодаря квантовому эффекту туннелирования — просачивания электронов сквозь ступеньку. Подобным приборам — туннельным диодам — тут же нашлось применение. Они оказались способны генерировать радиоволны при приложении постоянного напряжения. Также их ток оказался очень чувствителен к малым изменениям электрического напряжения, что привело к их приложениям в электронике низкого энергопотребления.

Другим важным направлением в электронике является повышение скорости срабатывания электронных приборов. Это важно прежде всего для увеличения скорости обработки информации. И тут не обойтись без новых материалов, где электроны на своем пути не встречают препятствий, говоря более строго, — материалов с высокой электронной подвижностью. Такими оказались графен-монослой углерода, его двухслойный аналог, а также некоторые халькогениды переходных металлов, например, дисульфид вольфрама и селенид индия.

Путь развития электроники на двумерных материалах оказался сильно отличающимся от пути электроники на кремнии. P-n-переход в двумерных материалах научились делать практически с момента открытия графена и его модификаций. Для этого даже не оказалось нужным добавление примесей разной валентности: достаточно подать напряжение разной полярности на управляющие электроды — затворы — над двумя сторонами перехода (рис. 1a). А вот механизм протекания тока в p-n-переходах на основе двухслойного графена долгое время оставался непонятым. Из выполненных до недавнего времени измерений было неясно, протекает ли ток в этих переходах благодаря прыжкам через ступеньку или благодаря квантовому просачиванию сквозь нее. На языке дорожных аналогий, оставалось неясным, является p-n-переход в графене надземным или подземным.

Ученые из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ смогли дать ответ на этот вопрос. По результатам комбинированных измерений зависимости сопротивления от температуры и фотопроводимости был сделан вывод о доминирующем квантовом туннельном типе проводимости. Прежде всего, этот выбор был сделан после наблюдения аномального изменения сопротивления прибора с изменением температуры: нагрев p-n-перехода приводил к увеличению сопротивления, хотя на классические прыжки электрона через барьер температура должна оказывать позитивное влияние. При квантовом туннельном характере тока ситуация меняется — подобный процесс возможен только при достаточно точном совпадении уровней энергии электрона слева и справа от перехода. Нагрев, в свою очередь, увеличивает энергию электрона и выталкивает его с разрешенного уровня (рис. 1b). При этом безразлично, чем вызваны изменения температуры: общим нагревом окружения или поглощением внешнего излучения, — сопротивление обязано увеличиться.