Российские ученые вместе с коллегами из Японии разработали транзисторы на основе двухслойного графена и показали, что те обладают рекордно низким энергопотреблением. Тактовая частота процессоров на основе таких транзисторов может увеличиться на два порядка, сообщает пресс-служба МФТИ.

«При оптимальных условиях графеновый транзистор может менять силу тока в цепи в 35 тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего в 150 милливольт»,

— говорится в пресс-релизе.

«Такое маленькое рабочее напряжение означает не только то, что мы можем сэкономить электричество — электроэнергии у нас хватает, — приводятся в пресс-релизе слова ведущего автора исследования, заведующего лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрия Свинцова. — При меньшем энергопотреблении электронные компоненты меньше нагреваются, а, значит, могут работать с более высокой тактовой частотой — не 1 ГГц, а, например, 10 или даже 100».

Создание транзисторов, способных переключаться при малых напряжениях (менее 0,5 вольт), является одной из главных задач современной электроники. Наиболее перспективными кандидатами для ее решения часто считают туннельные транзисторы, но в большинстве полупроводников туннельный ток так мал, что не позволяет использовать транзисторы на их основе в реальных схемах. Авторы исследования показали, что эти ограничения можно обойти в новых туннельных транзисторах на основе двухслойного графена.

источник: phototass4.cdnvideo.ru
(A) Зависимость энергии электрона от импульса в двухслойном графене, напоминающая мексиканскую шляпу (слева), и энергетическая зависимость плотности состояний (справа (B) Красным обозначены состояния электронов, которые участвуют в туннелировании в двухслойном графене (слева) и в полупроводнике с «обычными» параболическими зонами (справа).

© Иллюстрация предоставлена пресс-службой МФТИ

«Двухслойный графен — это два листа графена, связанные между собой силами межмолекулярных взаимодействий. Получать его так же просто, как однослойный графен, но благодаря уникальной структуре энергетических зон двухслойный графен представляет собой чрезвычайно перспективный материал для низковольтных туннельных переключателей», — отметил Свинцов. Энергетические зоны двухслойного графена, т.е. разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса, имеют вид «мексиканской шляпы». Плотность электронов, которые можно разместить вблизи краев «мексиканской шляпы» стремится к бесконечности, а, значит, с приложением к транзистору уже небольшого напряжения все эти электроны начнут туннелировать. Поэтому в двухслойном графене и можно получить необходимые для работы электроники токи при низком энергопотреблении.
Такая особенность в структуре энергетической зоны называется сингулярностью Ван Хова и до новой работы в двухслойном графене она была едва заметна. Иначе говоря, края «мексиканской шляпы» выглядели «потрепанными» из-за низкого качества образцов. Современные образцы графена на подложках гексагонального нитрида бора (hBN) обладают гораздо лучшим качеством, и наличие острых сингулярностей Ван Хова в них экспериментально подтверждено методами сканирующей зондовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии поглощения.
Статья опубликована в журнале Scientific Reports.