Устройство, о котором вы сейчас читаете эту статью, появилось в результате кремниевой революции. Чтобы построить современные электрические схемы, исследователи контролируют токопроводящие способности кремния с помощью легирования, которое представляет собой процесс, который вводит либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные там, где раньше были электроны. Это позволяет контролировать поток электричества, а для кремния в его трехмерную атомную решетку вводятся другие атомные элементы, которые могут регулировать электроны — известные как легирующие примеси.
Однако трехмерная решетка кремния слишком велика для электроники следующего поколения, в которую входят ультратонкие транзисторы, новые устройства для оптической связи и гибкие биодатчики, которые можно носить или имплантировать в человеческое тело. Чтобы уменьшить размер, исследователи экспериментируют с материалами толщиной не более одного листа атомов, такими как графен. Но проверенный метод легирования 3D-кремния не работает с 2D-графеном, который состоит из одного слоя атомов углерода, который обычно не проводит ток.
Вместо того, чтобы вводить примеси, исследователи попытались наложить слой на «слой с переносом заряда», предназначенный для добавления или отвода электронов от графена. Однако в предыдущих методах в слоях переноса заряда использовались «грязные» материалы.
Теперь новое исследование в Nature Electronics предлагает лучший способ. Междисциплинарная группа исследователей во главе с Джеймсом Хоуном и Джеймсом Тегерани из Колумбийского университета и Вон Чон Ю из Университета Сонгёнкван в Корее описывают чистый метод легирования графена с помощью слоя переноса заряда, сделанного из оксиселенида вольфрама с низкой примесью (TOS). .
Команда создала новый «чистый» слой, окислив один атомный слой другого 2D-материала, селенида вольфрама. Когда TOS был наложен поверх графена, они обнаружили, что он оставил графен пронизанным токопроводящими отверстиями. Эти отверстия можно настроить, чтобы лучше контролировать электропроводящие свойства материалов, добавив несколько атомных слоев селенида вольфрама между TOS и графеном.
Исследователи обнаружили, что электрическая подвижность графена или то, насколько легко заряды перемещаются через него, была выше с их новым методом легирования, чем с предыдущими попытками. Добавление прокладок из селенида вольфрама еще больше увеличило подвижность до такой степени, что эффект TOS становится незначительным. Такое сочетание высокой степени легирования и высокой подвижности дает графену большую электропроводность, чем у таких металлов с высокой проводимостью, как медь и золото.
По словам исследователей, когда допированный графен стал лучше проводить электричество, он также стал более прозрачным. Это происходит из-за блокировки Паули, явления, при котором заряды, которыми манипулируют с помощью легирования, блокируют поглощение света материалом. В инфракрасных длинах волн, используемых в телекоммуникациях, графен стал более чем на 99 процентов прозрачным.
Достижение высокой степени прозрачности и проводимости имеет решающее значение для передачи информации через световые фотонные устройства. Если поглощается слишком много света, информация теряется. Команда обнаружила гораздо меньшие потери для легированного TOS графена, чем для других проводников, предполагая, что этот метод может иметь потенциал для сверхэффективных фотонных устройств следующего поколения.
«Это новый способ адаптировать свойства графена по запросу», — сказал Хоун. «Мы только начали изучать возможности этой новой техники».
Одним из многообещающих направлений является изменение электронных и оптических свойств графена путем изменения структуры TOS и нанесение электрических цепей непосредственно на сам графен. Команда также работает над интеграцией легированного материала в новые фотонные устройства с потенциальными приложениями в прозрачной электронике, телекоммуникационных системах и квантовых компьютерах.
Подробнее читайте в Мин Суп Чой, Анкур Нипане и др. Высокая подвижность носителей в графене с использованием монослоя оксиселенида вольфрама.
Иллюстрация: Предоставлено: Ипшита Датта, Lipson Group.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК