Углеродные наноматериалы в наноэлектронике. Часть 1

1. Лекция 2

Наноэлектроника
Лекция 2
к.т.н., доц. Марончук И.И.

2.

УГЛЕРОДНЫЕ
НАНОМАТЕРИАЛЫ
В
НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ
Часть 1

3. Кремниевый МОП транзистор – основа современной электроники

• ЖЕЛЕЗО – ОСНОВНОЙ
КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ В
ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ТРАНСПОРТЕ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ (16
век…НАВСЕГДА)
• КРЕМНИЙ – ОСНОВНОЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ЭЛЕКТРОНИКИ (20 ВЕК…НАВСЕГДА)
• КОЛЕСО (МАШИНОСТРОЕНИЕ) (ИЗДАВНА…НАВСЕГДА)
• КРЫЛО (АВИАЦИЯ) (20 ВЕК…НАВСЕГДА)
• МОП ТРАНЗИСТОР (ЭЛЕКТРОНИКА) (20 ВЕК…НАВСЕГДА)

4. ПОЧЕМУ КРЕМНИЙ ?

• КРЕМНИЙ ИМЕЕТ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНЫЙ РОДНОЙ ИЗОЛЯТОР
SiO2
• КРЕМНИЙ ИМЕЕТ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНУЮ ШИРИНУ
ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ (~ 1 эВ)
• КРЕМНИЙ ИМЕЕТ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНУЮ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА SiSiO2 (плотность дефектов << 1011 см-2 )
• ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ В КРЕМНИИ ПРИЕМЛЕМА
(СОТНИ СМ2 /В С)
• КРЕМНИЙ - РАСПРОСТРАНЕННЫЙ И ДЕШЕВЫЙ МАТЕРИАЛ,
ОБЛАДАЮЩИЙ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬЮ

5. ПОЧЕМУ МОП ТРАНЗИСТОР?

• МОПТ ПРОСТЕЙШИЙ ПРИБОР,
ОСНОВАННЫЙ НА
ЗАКОНАХ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
• В СИЛУ ПРОСТОТЫ СТРУКТУРЫ МОПТ ПОДДАЕТСЯ
ГЕОМЕТРИЧЕСКОМУ МАСШТАБИРОВАНИЮ
• МИЛЛИАРД ПОЧТИ ИДЕНТИЧНЫХ КОПИЙ МОПТ НА
ПЛОЩАДИ 1 СМ2 !!!

6.

исток
сток
затвор
L
ПРОЕКТНАЯ НОРМА 32 НМ
Это длина канала < 20 нм!
Длина канала уже
сопоставима с длиной
свободного пробега и даже
длиной волны электрона!
Но вольтамперные
характеристики такие же, как у
МОПТ с L =10 мкм, только
хуже!
Квантовые эффекты в
кремниевых МОПТ играют
роль паразитных эффектов!
Пример: туннелирование
через подзатворный окисел

7. ПОЧЕМУ КМОП технология?

КМОП инвертор:
вход – «0» выход – «1»
вход – «1» выход – «0»
VDD
В статике всегда один из
транзисторов закрыт и
блокирует ток.
Vin
Vout
CL
Ток утечки при этом ~ 1 нА
Малость потребления в статике
- это фундаментальное
достоинство КМОП технологии,
обеспечивающее ее полное
доминирование в цифровой
технике

8. БАРЬЕР КАК НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ЦИФРОФОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ВЫСОТА БАРЬЕРА
УПРАВЛЯЕТСЯ
ЗАТВОРОМ
ИСТОК
Ток в МОП транзисторе
регулируется высотой
барьера
Предельная эффективность
управления током в МОПТ –
60 мВ на декаду
(больцмановская статистика)
БАРЬЕР – PN ПЕРЕХОД
ВЫСОТА БАРЬЕРА <
ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ
ЗОНЫ
ПОЛУПРОВОДНИКА
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
ВАЖНОСТЬ НАЛИЧИЯ
ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
СТОК

9. Альтернативные материалы для электроники

• Слишком большая запрещенная зона : большое напряжение питания
• Слишком узкая запрещенная зона : большие токи утечки в статике
• Отсутствие хорошего («родного») изолятора
• Плохая технологичность и дороговизна

10.

Углерод
• Углерод Carbogenium 6ой элемент в таблице
Менделеева. Он
располагается в
главной подгруппе
четвертой группы,
втором периоде.
Углерод-типичный
неметалл.
• В настоящее время известно более миллиона
соединений углерода с другими элементами. Их
изучение составляет целую науку – органическую
химию. В тоже время за изучение свойств чистого
углерода ученые взялись сравнительно недавно около 20 лет назад.

11. Нахождение в природе

• Углерод занимает 17-е место по
распространенности в земной коре –
0,048%. Но несмотря на это, он играет
огромную роль в живой и неживой
природе.
• Углерод входит в состав органических
веществ в растительных и живых
организмах, в состав ДНК. Содержится
в мышечной ткани – 67%, костной
ткани – 36% и крови человека (в
человеческом организме массой 70 кг
в среднем содержится 16 кг связанного
углерода).

12.

13.

14.

Аллотропные формы углерода
Алмаз
Sp3
гибридизация
Графит
Алмаз
Графит
самый твердый
минерал
очень мягкий
бесцветный и
прозрачный (бывают
окрашенной формы,
например розовые или
черные, но встречаются
редко)
темно-серый,
непрозрачный
плотность 3,5 г/см3
плотность 2,2 г/см3
проводит тепло
проводит тепло
не проводит
электрический ток
проводит электрический
ток
Sp2
гибридизация

15.

Графе́н— слой атомов
углерода, соединённых
посредством sp² связей в
гексагональную
двумерную
кристаллическую
решётку.

16.

Объемные формирования из атомов углерода
Схемы строения различных модификаций углерода
a: алмаз, b: графит, c: лонсдейлит
d: фуллерен — букибол C60, e: фуллерен C540, f: фуллерен C70
g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

17.

Существуют различные оценки объема мирового
рынка производства и реализации углеродных
наноматериалов. Например, согласно оценкам
фирмы "Cientifica", производство УНТ в 2010 г.
составило несколько сотен тонн, а объем продаж –
превысил 3 млрд. евро.

18. Графен

Графен (англ. graphene) — слой атомов углерода,
соединённых
посредством
sp-связей
в
гексагональную
двумерную
кристаллическую
решётку.
Его
теоретическое
исследование
началось задолго до получения реальных образцов
материала, поскольку из графена можно собрать
трёхмерный кристалл графита. Графен является
базой для построения теории этого кристалла.

19.

Нобелевская премия по физике
2010 г.
Андрей Гейм ( Andre Geim) (1958, Сочи, МФТИ, ИФТТ,ИПТМ)
Константин Новоселов(Konstantin Novoselov) (1974,Нижний Тагил,
МФТИ, ИПТМ)
University of Manchester
«Прорывные» эксперименты в двумерном материале графене

20.

21. ЦИКЛ ГРАФЕНОВОЙ ЛИХОРАДКИ

22. Кристаллическая структура графена

Решетка
типа
«пчелиные
соты»
может
рассматриваться как совокупность двух простых
треугольных решеток Бравэ, образованных атомами А и В

23.

24.

25. Получение графена расщеплением

Изображение в
оптическом микроскопе
Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую
поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней
прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас
обозвали garbage scientists — мусорными учеными».
Кусочки графена получают
при механическом
воздействии на графит.
Сначала плоские куски
графита помещают между
липкими лентами (скотч) и
отщепляют раз за разом
создавая достаточно тонкие
слои (среди многих плёнок
могут попадаться
однослойные и двуслойные,
которые и представляют
интерес). После
отшелушивания скотч с
тонкими плёнками графита
прижимают к подложке
окисленного кремния. При
этом трудно получить
плёнку определённого
размера и формы в
фиксированных частях
подложки (горизонтальные
размеры плёнок составляют
обычно около 10 мкм).

26.

27. «Эпитаксиальный» графен

28.

29. ГРАФЕН: Почему это интересно с практической точки зрения?

Экстенсивные и интенсивные
микроэлектроники:
факторы
развития
кремниевой
- Кремниевая КМОП технология до сих пор развивалась, главным
образом, за счет экстенсивного фактора , т.е. за счет уменьшения
размеров элементов.
- Интенсивные факторы (например, подвижность)
миниатюризации не улучшаются, а ухудшаются!
при
- Борьба за увеличение подвижности (напряженный кремний,
сплавы кремний-германий и т.п.) – дорогостоящее усложнение
технологии и незначительный эффект ( в пределах 10…30%
увеличения подвижности)
- Графен дает увеличение подвижности в десятки,
даже в сотни раз!
и возможно

30. Возможность создания барьеров за счет «родных» изоляторов

СОЗДАНИЕ «РОДНЫХ» ИЗОЛЯТОРОВ
ЗА СЧЕТ ПАССИВАЦИИ
БОЛТАЮЩИХСЯ ПИ-СВЯЗЕЙ УГЛЕРОДА В ГРАФЕНЕ
ГРАФАН (С-H) – полупроводник, образующийся за счет насыщения
связей углерода водородом
НЕДОСТАТОК: Термическая неустойчивость. Фактически это пластик,
отдающий водород при повышенной температуре.

31.

ФТОРГРАФЕН (FLUOROGRAPHENE)
[ Manchester, 2010]– двумерный тефлон C-F
- Ширина Eg ~ 3 эВ,
- Удельное сопротивление 1012 Ом на квадрат
-Термическая и механическая стабильность
Возможность создания искусственных барьеров в рамках единой
технологии открывает дополнительные возможности!

32. Предельные размеры графеновых структур

Ограничение тока в одном
монослое дает возможность
улучшить электростатическое
качество
•[China, 2011] Эквивалентная толщина изолятора ~1.5 нм (как и в Si
МОПТ)
• Утверждают, что технология позволяет снизить длину канала до
1нм!
• Предел Si КМОП ~ 5 нм (лет через 15-20)

33.

Свойства графена
•Ультра тонкий, механически очень прочный, прозрачный, гибкий и
электропроводящий материал. ~0.1 нм (1 атомный слой)
•Плотность– 0.77 мг/м2. Гамак из графена площадью 1 м2 весил бы 77 мг.
• Практически прозрачен и потому не имеет цвета.
• Обладает прочностью на разрыв 42 Н/м, в 100 раз прочнее стали такой же
толщины. Упомянутый гамак выдержал бы 4 кг и был бы при этом невидимым.
Весил бы гамак как один ус кошки.
• Сопротивление гамака составило бы 31 Ом. Проводимость графена выше
проводимости меди!
• Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у меди.
•Доля поглощенного света в широком интервале не зависит от длины волны
•Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно
высокую подвижность (сотни тысяч см2 /(В с) – параметр, характеризующий
пригодность материала для применения в современной электронике.
• Максимальная длина свободного пробега при Т=300К : около микрона.
• Индуцированная затвором концентрация электронов или дырок до 1014 см-2

34. Зонная структура графена

Кристаллическая структура графена состоит из двух эквивалентных
подрешеток, что приводит к образованию двух энергетических зон и двух
"конических" точек на уровне нулевого заряда носителей К и К’, в которых
валентная зона и зона проводимости соприкасаются. В результате носители
заряда в графене ведут себя как фотоны, или безмассовые квазичастицы с
постоянной "эффективной" скоростью света (скоростью Ферми) νF ≈ 106 м/с.
При этом электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с
полуцелым значением спина, и они заряжены. В настоящее время аналогов для
таких безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных
частиц нет.

35.

d
НЕОБЫЧНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОСИТЕЛЕЙ
В ГРАФЕНЕ
Дисперсия электронов в кремнии
Дисперсия электронов в 2D графене
как у фотона photon c k
v0
1. В графене у носителя нет массы! (псевдорелятивистская динамика)
2. Скорость носителей в графене постоянна
3. Величина импульса носителя в графене не
связана со скоростью, а только с его энергий
(как у фотона)
v0 108 см/c
p mv

36. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ГРАФЕНА

p v0 p
НУЛЕВАЯ ШИРИНА
ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
Графен
nS
F2
2
v02
p2
p
2m
ЛИНЕЙНЫЙ СПЕКТР
2D инверсионный слой в
Si
k F2
nS
dnS
2 F
g 2 D F
d F 2 v02
Плотность состояний
m F
2
g 2D
k F2
m
2

37. Туннельная генерация и рекомбинация в графеновом P-N переходе

ВАХ PN
I
переходов
кремний
графен
графен
V
PN
переход в графене – это
РЕЗИСТОР!
Ток в графеновом PN-переходе
эквивалентен аннигиляции (прямое
смещение) и генерации (обратное
смещение) электронно-дырочных пар
В графене этот эффект эквивалентен
межзонному зинеровскому
туннелированию в полупроводнике с
нулевой шириной запрещенной зоны
Подбарьерное туннелирование
релятивистских частиц известно в КЭД
как парадокс Клейна
Парадо́кс Кле́йна в графе́не — прохождение любых потенциальных барьеров без
обратного рассеяния под прямым углом. Эффект связан с тем, что спектр
носителей тока в графене линейный и квазичастицы подчиняются уравнению
Дирака для графена.
НЕВОЗМОЖНО СОЗДАТЬ В ГРАФЕНЕ PN ПЕРЕХОД, БЛОКИРУЮЩИЙ ТОК !

38. Электрические проблемы с графеном

Отсутствие
энергетической
щели
–
конечная
проводимость при нулевом затворном напряжении –
малое отношение токов в открытом и закрытом
состоянии (Ion/Ioff < 10)
Графен – это почти металл!
Непосредственно графен не может быть использован
в полевых транзисторах – необходимо индуцировать
запрещенную зону
Как это можно сделать?

39. ГРАФЕНОВЫЕ НАНОЛЕНТЫ

Графеновые наноленты (ГНЛ) – нарезанные из графена ленты с шириной
~10 нм имеют запрещенную зону > 0.1 эВ (благодаря поперечному
квантованию), что позволяет увеличить отношение токов Ion/Ioff до
значений, >103 ! Уже лента – шире запрещенная зона.
Возможность получения лент графена с металлическими свойствами
позволит отказаться от применения проводников в наносхемах. Это
устраняет главное препятствие для применения в электронных схемах
углеродных нанотрубок, сопротивление которых при присоединении
металлических проводников существенно повышается.

40.

Проблема: доказано, что такие ленты устойчивы, но:
• ГНЛ сложно изготовить, особенно
с хорошей
воспроизводимостью параметров
• Подвижность в ГНЛ резко падает из-за рассеяния
на несовершенных границах

41. ДВУХСЛОЙНЫЙ ГРАФЕН

Двухслойный графен – имеет параболический спектр с малым
значением эффективной массы
Появляется возможность индуцировать запрещенную зону с
помощью внешнего электрического поля.
Проблема: Фиксированное внешнее электрическое поле затрудняет
электростатическую модуляцию тока, лежащую в основе всех
полевых приборов

42.

Расположение атомов в двухслойном
графене
Расчет энергии в однослойном
(точки), двухслойном (пунктир) и
«сложенном» графене (линия) из
PRL, 100,125504(2008)
Расположение атомов в
двух слоях многослойной
структуры, выращенной на
(000-1)SiC (C-грань)

43. Управляемая щель

44. ПРОБЛЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЩЕЛИ В ГРАФЕНЕ НА СПЕЦИАЛЬНЫХ ПОДЛОЖКАХ

Эквивалентные атомы элементарной ячейки графена на
подложке
с
близкой
симметрией
(
например,
гексагональная решетка нитрида бора) оказываются в
разном окружении, что теоретически может привести к
появлению щели в энергетическом спектре графена
Проблема: Экспериментальная ситуация противоречивая.
Похоже, по каким-то причинам это сделать , по крайней
мере, сложно.

45.

46. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ТЕМ НЕ МЕНЕЕ:
НЕВОЗМОЖНОСТЬ ПЕРЕКРЫТЬ ТОК,
ОБУСЛОВЛЕННАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ
СВОЙСТВАМИ ПРОТЯЖЕННОГО
ГРАФЕНА
ДЕЛАЕТ
ПРАКТИЧЕСКИ НЕВОЗМОЖНЫМ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В
КЛАССИЧЕСКИХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
ЦИФРОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
НО ЕСТЬ ЕЩЕ АНАЛОГОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА,
В КОТОРОЙ БЛОКИРОВКА ТОКА НЕ ИГРАЕТ СУЩЕСТВЕННОЙ РОЛИ

47. Аналоговая электроника

Аналоговый сигнал на входе (затворе) преобразуется в усиленный сигнал на
выходе (на стоке) транзистора
С ростом частоты входного сигнала усиление падает
Пороговая частота (частота отсечки) , соответствует единичному усилению
gm
fT
подвижность носителей
2 WLCGG
В аналоговых усилителях можно использовать
основное практическое преимущество графена –
высокую подвижность!!!

48. Высокочастотная (ВЧ) электроника

ВЧ ЭЛЕКТРОНИКА – ТРАДИЦИОННАЯ ВОТЧИНА ВОЕННЫХ
• До 1980 г. только военные применения
•Конец 1990-х: взрывное появления гражданского рынка
мобильной связи
• После 2000 г: Активное развитие кремниевых КНИ ВЧ
техники. Достижение уровня 500 МГц ( для длин канала 90
нм) – нелинейности из-за короткоканальности и возрастание
роли паразитных элементов
• 2005 : появление графена (на порядок более высокая
подвижность)
• 2010 Samsung и IBM (MIT) – 230 ГГц для L =240 нм – лучший
показатель для такой длина канала среди приборов всех
типов!!!

49. Графен для высокочастотной электроники

ПРОГРАММА МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ США
«УГЛЕРОДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВЯЗИ»
CERA (CARBON ELECTRONICS FOR RF APPLICATIONS)
• Разработка ИС для ВЧ связи, основанных на углеродных (графеновых)
технологиях.
• Программа, поддерживаемая правительственным военным агентством
DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), ставит своей целью
создание
графеноэлектронных
средств
с
беспрецедентными
характеристиками для широкополосной связи, радарных систем и т.п.
• Ключевым элементом программы является создание ультрабыстродействующего графенового полевого транзистора, позволяющего
разрабатывать широкополосные (> 90 ГГц) малошумящие и
малопотребляющие усилители.
• Подчеркивается особая роль графена, как наиболее перспективного
кандидата для создания военных систем связи следующего поколения.
Программа CERA стартовала в июле 2008 года и ее завершение
ожидается в 2013.

50. Графен для высокочастотной электроники

CERA (CARBON ELECTRONICS FOR RF APPLICATIONS)
РЕЗУЛЬТАТЫ ОТ ДВУХ ГРУПП (обе финансируются военными)
1)HRL Laboratories (родственная Boeing и NRL) в Калифорнии
2)IBM T. J. Watson Research Center
Планарная технология HRL:
(1) Возгонка атомов кремния при 1200
°C с поверхности SiC c последующей
рекристаллизацией сотовой структуры
графена
(2) Нанесение тонкого изолятора (Al2O3
или HfO2
для создания верхнего
затвора
(3) Максимальная частота – 14 ГГц при
длине затвора 2 мкм
ЭТО РЕЗУЛЬТАТЫ 2008 г.!

51.

В конце 2008 года компания IBM объявила о разработке
графенового полевого транзистора (GFET), работающего в
гигагерцевом диапазоне. Транзистор был изготовлен на основе
наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода
механического отслаивания чешуек графита и размещения их на
слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного
на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами
стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые
наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего
роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида
алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой
эпитаксии при температуре 250°С. Электроды формировались с
помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления.
Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы
минимизировать неопределенность при ее извлечении для
измерения
S-параметров
транзистора.
Расстояние
между
электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор
длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина
затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

52. ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ГРАФЕНЕ

Проводимость как функция напряжения на затворе
Novoselov et al.
Nature 438 (2005) 04233
Точка
электронейтральности
Эффект поля: положительное смещение на затворе индуцирует
в графене электроны, отрицательные - дырки
В точке электронейтральности не очень большое сопротивление (~
нескольких кОм на квадрат), что плохо для цифровых транзисторов!
Квантовые эффекты затрудняют применение в электронике
графеновых полевых структур

53. Управление концентрацией

54. Полевой транзистор

Au
контакт
SiO2
Si
графен
Полевой транзистор

55.

Графеновый полевой транзистор
ЦЕЛИ:
Графеновый полевой
транзистор, который использует
электрическое поле,
создаваемое затвором для
управления проводимостью
канала. Предполагается, что
хорошая проводимость графена
поможет создать транзисторы с
высокой подвижностью
носителей и по этому
показателю превзойти
подвижность в полевых
транзисторах на основе
кремниевых технологий.

56. Графеновый транзистор

57. Основные задачи моделирования полевых транзисторов на основе графена

• Электростатика затворных структур графен – изолятор – затвор
Учет роли поверхностных состояний и квантовой емкости
Модель ВАХ графенового транзистора
Малосигнальные емкостные характеристики графеновых ПТ
Частота отсечки ВЧ транзистора
Особенности:
- специфика и невозможность использовать результаты для Si
MOSFET
- почти полное отсутствие теоретических работ по этим темам ;
- очень малое количество экспериментальных работ по измерениям
полной ВАХ (< 10);

58.

Зонные диаграммы раздела
графена с изолятором
Зонная диаграмма (Vg = 0)
GATE
OXIDE
GRAPHENE
dox
GATE
GRAPHENE
dox
OXIDE
graphene
eVG = 0
eVG>0
Зонная
диаграмма
(Vg > 0)
dox
OXIDE
GRAPHENE
SHEET
GATE
VG
e gate graphene)
e
Nt

59. Поверхностные состояния в графеновых структурах

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОТОЯНИЯ (INTERFACE TRAPS)
на поверхности и границе раздела – основной бич всех полевых
структур
Джон Бардин в 1939 г. впервые осознал, что перезаряжающиеся
дефекты на поверхности полупроводника препятствуют
проникновению электрического поля в его объем.
По этой причине тривиальный МОП транзистор был впервые
изготовлен в 1960 году, в то время как гораздо менее тривиальный
биполярный транзистор в 1948 г.
Проблема ПС практически решена в современной Si КМОП
технологии (за технологической счет минимизации )
В графеновой электронике она еще только осознается!

60.

Перезаряжаемые дефекты (ПС) на границе раздела
графен-изолятор
Учет поверхностных состояния (емкостей) – необходимое условие
правильного описания электростатики всех полевых приборов!
графен
EF
t
t
----------VNP
++++++
(a)
VG >VNP
(a)
EF
VG
VG < VNP
(b)
Обратимая перезарядка поверхностных
состояний «графен – изолятор»
Перезаряжаемые
дефекты =
поверхностные
состояния

61. Механическая стабильность

62.

Память на основе графена
Работы исследователей Национального Университета Сингапура
показывают, что графен можно использовать и в качестве основы для
высокоскоростных устройств хранения информации.
Достоинствами графеновой памяти станут: высочайшая скорость
передачи информации и гораздо более высокая плотность
размещения данных, нежели достигается в случае привычной
магнитной памяти, используемой сегодня в случае жестких дисков. В
случае же магнитных дисков используется намагничивание доменов в
одном из двух направлений, одно из которых выбрано за «единицу», а
второе за «ноль». В случае памяти на основе графена используется
изменение
такой
характеристики
материала,
как
проводимость/сопротивление.

63. Графеновый лазер

F
Схема работы лазера на графене при оптическом возбуждении

64.

65. НЕОЛИТ? ПАЛЕОЛИТ

кремний
графит
?
?
Кремниевая
электроника
?
Графеновая
электроника
?
?
?

66.

Возможные применения графена
Сенсорные экраны,
микроэлектроника
Композитные
материалы
Планшетные
компьютеры
Солнечные
элементы
•Транзистор на графене предсказывается
значительно более высокочастотным, чем на
кремнии. Такие транзисторы востребованы,
например. в приемниках и передатчиках для
мобильной связи.
• Компьютерные чипы станут более быстрыми, с
меньшим потреблением энергии.
•Мониторы для компьютеров могут быть тонкими
как бумага и сворачиваться в рулон.
•Графен поглощает только 2% света, и в нем
заинтересованы производители дисплеев и
солнечных батарей, которым важно получить
проводящий слой максимальной прозрачности.
•Пластмасса начинает проводить ток, если
содержит более 1% графена.
• Уже используется в микробиологии и биохимии
как подложка для электронной микроскопии белков,
которая обладает сразу несколькими ценными
качествами: слабо поглощает электроны, проводит
электрический ток и не искажает форму белковой
молекулы.
•Токопроводящая краска, «чернила», позволяющие
печатать электронные схемы.
Часы, календари
Гибкие световые
панели
Мобильные телефоны
Электронные платежи

67.

68.

•Замена углеродных волокон в композитных материалах, с целью
создания более легковесных самолетов и спутников;
•Замена кремния в транзисторах;
•Внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;
•Датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;
•Оптоэлектроника;
•Предметные стекла для электронных микроскопов;
•Изготовление бинтов и пластырей из оксида графена;
•Прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и
для мониторов;
•Более устойчивые к механическому воздействию медицинские
имплантаты;
•Улучшение проводимости материалов;
•Высокомощные высокочастотные электронные устройства;
Использование в сенсорных экранах, в ЖКД (жидкокристаллические
дисплеи).

69.

70.

«Хоть я и говорю, что графен — самый тонкий материал во вселенной,
нет препятствий к тому, чтобы сделать подобные тонкие материалы из
других атомов. Их свойства также абсолютно не изучены, можно быть
уверенным только в том, что они интересны…»
К.Новоселов, лауреат Нобелевской премии

71. Кремниевый аналог графена- силицен

Кремниевый аналог графенасилицен
а) Изображение параллельных силиценовых полосок,
выращенных при комнатной температуре на серебряной
подложке размером 6,2 × 6,2 нм. b) изображение
решетки силиценовых полосок с шагом приблизительно
2 нм. Размер изображения 22 × 20 нм. Все картинки
получены с помощью сканирующего туннельного
микроскопа. Рис. из статьи A. Kara, C. Léandri,
M. E. Dávila, P. de Padova, B. Ealet, H. Oughaddou,
B. Aufray, G. Le Lay (2008)

72.

БУДУЩЕЕ ЗА МОНОСЛОЙНОЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ…?
Nature Nanotechnology January 30, 2011
Транзистор на основе монослоя дисульфида молибдена шириной 0.5 нм:
• Ширина запрещенной зоны --- 1.8 эВ
• Подвижность --- 200 (не хуже, чем в кремниевых МОПТ)
• On/off --- 100 000 000 ! (лучше, чем в кремниевых МОПТ)
• УЖЕ очень неплохо…
Возможно графен, - первый, но не лучший с точки зрения
применений в электронике в целом классе новых монослойных
материалов…