Тонкие графеновые наноленты заставляют электроны уподобиться фотонам

Международная команда исследователей, состоящая из ученых Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology), университета Лейбница (Leibniz Universitat Hannover), Ганновер, Германия, французского научно-исследовательского центра Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory), разработала новый способ изготовления и использования тончайших графеновых нанолент, которые позволяют электронам перемещаться вдоль них, практически не встречая сопротивления даже при комнатной температуре. Эффект, который позволяет электронам творить сие чудо, называется баллистическим перемещением, и этот эффект приводит к такой высокой подвижности электронов, что они начинают вести себя словно фотоны света, перемещающиеся в пределах нити оптического волокна.Следует напомнить нашим читателям, что графен является формой кристаллического углерода, решетка которого имеет толщину в один атом. Из-за этого графен очень часто называют двумерным материалом и эта его особенность придает материалу массу необычайных физических, электрических и химических свойств. Графен рассматривается как перспективная альтернатива на замену кремнию в электронике будущего, но малое значение ширины запрещенной зоны не позволяет использовать его, подобно тому, как используют обычные полупроводниковые материалы, обладающие достаточной шириной запрещенной зоны.

Большинство ученых, экспериментирующих с графеновыми электронными приборами, пытаются различными способами увеличить ширину запрещенной зоны, что позволит реализовать технологии эффективного управления электрическим током, это применение сильных электрических или магнитных полей, использование многослойных структур и искусственное введение добавок в структуру материала. Но есть и другие ученые, считающие такой подход ошибочным. По их мнению, пора перестать пытаться заставить графен вести себя подобно кремнию, а вместо этого начать пытаться создавать абсолютно новые полупроводниковые приборы, в полной мере использующие уникальные свойства графена.

Упомянутая выше группа исследователей также пошла по одному из достаточно «проторенных» путей. Ученые вырастили на поверхности кремниевой подложки графеновые наноленты, шириной около 40 нанометров. Строение самой наноленты, способ ее крепления к подложке и некоторые другие структурные элементы послужили причиной тому, что эта нанолента перестала быть просто электрическим проводником, а вела себя больше как волновод, по краям которого двигались потоки электронов, не входя в соприкосновение с кристаллической решеткой наноленты. При таком положении дел в пределах наноленты начал доминировать баллистический способ перемещения электронов, что в свою очередь повлекло десятикратное увеличение электрической проводимости графена.

«Наши эксперименты показали, что основанная доля общего потока электронов приходится на электроны, перемещающиеся по краям ленты» — рассказывает Уолт де Хеер, профессор физики из Технологического института Джорджии, — «Конечно и в оставшейся области материала есть другие движущиеся электроны, но они практически не взаимодействую с электронами, перемещающимися по краям наноленты».

Проводя эксперименты, ученые случайно обнаружили, что вмешаться и нарушить движение электронов по краям графеновой наноленты достаточно легко. Они узнали об этом, прикоснувшись щупом электрического измерительного прибора к поверхности наноленты, электрический ток при этом упал ровно в два раза. При прикосновении к наноленте двумя щупами одновременно вызвало снижение силы электрического тока в три раза.

«То, что мы обнаружили, является рабочим методом управления электрическим током, текущим через графен, и это является совершенно новой технологией для изготовления электроники, принципы работы которой кардинально отличаются от принципов работы современной электроники» — рассказывает профессор де Хеер, — «Мы уже сейчас умеем регулировать поток электронов, а используя эту возможность можно прямо сейчас приступить к созданию элементарной логической электроники».

Справедливости ради стоит отметить, что сами исследователи признают то, что у них еще не имеется даже теоретических объяснений тому, что им довелось наблюдать экспериментальным путем. Поэтому для полного овладения данными технологиями ученым предстоит провести массу дополнительных исследований в области фундаментальной физики и квантовой механики. Эти исследования могут быть длительными и дорогостоящими, но дело стоит того, ведь в случае успеха людям откроются совершенно новые горизонты использования графена в электронике будущего.