У углеродных нанотрубок появился серьезный конкурент в области наноэлектроники. Это развернутая в двухмерный лист углеродная нанотрубка или наноматериал графен, на основе которого уже созданы графеновые полевые транзисторы.
Впервые графен был синтезирован профессором Эндрю Геймом и его коллегами из университета Манчестера (США) совместно с командой доктора Новоселова из Черноголовки (Россия). Наноматериал представляет собой <развернутую> нанотрубку. Это пленка из атомов углерода, представляющая собой одну молекулу. Новый наноматериал назвали <двухмерным>, так как его толщина составляет один атом углерода.
Проф. Гейму впервые удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. При этом отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав <заплатку> из ткани толщиной в один атом. Исследователи назвали новый материал двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электричество.
Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой наноэлектронных устройств.
Свойства графена довольно неплохо изучены. Так, ученые из технологического института Джорджии (США) совместно с исследователями из Национального центра научных исследований (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS, Франция) создали графеновые транзисторы и простейшую логику на их основе, сообщает EurekAlert. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.
<Мы собираемся создать наноэлектронные устройства, которые не имеют ничего общего с современной микроэлектронной базой, - говорит Вальт де Хир (Walt de Heer), профессор из технической школы физики Джорджии. - Наша основная цель - создание наноэлектронных устройств, работающих на эффекте дифракции электронов, а не на обычном эффекте диффузии, использующемся повсеместно. Если нам удастся это сделать, в нашем распоряжении будут быстродействующие устройства с низким энергопотреблением>.
Работа ученых поддерживается не только Национальным научным обществом США, но и корпорацией Intel, что не удивительно в свете последних достижений в области наноэлектроники. Проф. де Хир и его коллеги сделали доклад о своих достижениях 13 марта на сессии Американского физического общества.
Поскольку углеродные нанотрубки проводят электричество практически без сопротивления, то, естественно, они до сих пор являются кандидатами N1 для транзисторной базы. Более того, кроме одиночных транзисторов, на их основе уже создан полностью функционирующий логический контур. Однако ряд трудностей мешает перейти уже сейчас на массовое применение нанотрубок в микро- и наноэлектронике.
Ниже перечислены основные причины, не пускающие нанотрубки в <большую электронику>:
невозможность синтезировать нанотрубки четко определенных размеров, характеризующиеся определенными свойствами. Другими словами - при синтезе каждый раз получаются нанотрубки с другими свойствами, разбег которых не позволяет использовать их серийно;
производственно-технологические трудности интеграции нанотрубок в серийные микроэлектронные устройства;
нагрев и значительные потери энергии в местах соединения <металл-нанотрубка> из-за высокого сопротивления соединения.
Проф. де Хир, много лет посвятивший изучению свойств однослойных углеродных нанотрубок, уверен в том, что они - только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная обязательно приведет к графеновой базе.
Одним из серьезных преимуществ графена перед нанотрубками является простота производства ИС на графеновой основе. Для этого не потребуется сложного оборудования, и устройства на новой основе можно будет изготавливать в больших количествах с помощью уже хорошо известной нанолитографии.
<Нанотрубка - это тот же графен, только развернутый в плоский лист. Свойства, химический состав и морфология однослойной углеродной нанотрубки повторяют морфологию графена на плоскости>, - комментирует проф. де Хир.
Так полагает не только проф. де Хир, но и другие ученые, занимающиеся нанотрубками, графеном и другими наноматериалами. Так, интегральная микросхема, составленная целиком только из одного графена, не будет иметь мест соединений с проводниками, а это приведет к снижению тепловых потерь и энергопотребления.
Для производства графена необходима <вафля> карбида кремния. При ее нагреве в вакууме атомы кремния покидают вафлю, оставляя один большой слой графена.
Далее на графеновую <вафлю> наносится слой обычного фоторезиста, который используется при производстве микроэлектроники. С помощью оптической или электронно-лучевой литографии ученые вытравливают шаблоны на графеновой вафле, создавая матрицу транзисторов. Завершается процесс травлением вафли - так удаляются лишние слои графена.
<Мы использовали нанолитографию точно так, как если бы мы делали не графеновую, а обычную кремниевую микросхему, - поясняет проф. де Хир. - Технология осталась та же, изменился только материал. Это огромное преимущество графена по сравнению с нанотрубками>.
Используя традиционную электронно-лучевую литографию, ученые смогли создать структуры размерами около 80 нм. Спустя некоторое время, с помощью нового нанолитографа в институте Джорджии им удалось спуститься вниз по размерной шкале до 10 нанометров.
Графеновые чипы показали высокую мобильность заряда - до 25 тыс. см2 на В*с. Ученым удалось наблюдать когеренцию электронов при комнатной температуре, что свидетельствует о проявлении эффектов квантовой интерференции. Также исследователи планируют получить эффект баллистического транспорта в графеновых наноструктурах, но для этого им придется создать меньшие по размерам структуры.
На графеновой вафле проф. де Хиру удалось создать графеновые полевые транзисторы. Кроме транзисторов, на базе графена было создано рабочее устройство квантовой интерференции - кольцевая структура, которая будет полезна при управлении электронными волнами.
