Тонкі графенові наноленты змушують електрони уподібнитися фотонам
Міжнародна команда дослідників, що складається з учених Технологічного інституту Джорджії (Georgia Institute of Technology), університету Лейбніца (Leibniz Universitat Hannover), Ганновер, Німеччина, французького науково-дослідного центру Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) і Національної лабораторії Ок-Рідж (Oak Ridge National Laboratory), розробила новий спосіб виготовлення і використання найтонших графенових нанострічок, які дозволяють електронам переміщатися уздовж них, практично не зустрічаючи опору навіть при кімнатній температурі. Ефект, який дозволяє електронам творити се диво, називається балістичним переміщенням, і цей ефект призводить до такої високої рухливості електронів, що вони починають вести себе немов фотони світла, що переміщаються в межах нитки оптичного волокна.
Слід нагадати нашим читачам, що графен є формою кристалічного вуглецю, решітка якого має товщину в один атом. З-за цього графен дуже часто називають двовимірним матеріалом і ця його особливість надає матеріалу масу незвичайних фізичних, електричних і хімічних властивостей. Графен розглядається як перспективна альтернатива на заміну кремнію в електроніці майбутнього, але мале значення ширини забороненої зони не дозволяє використовувати його, подібно до того, як використовують звичайні напівпровідникові матеріали, що володіють достатньою шириною забороненої зони.
Більшість учених, що експериментують з графеновыми електронними приладами, намагаються різними способами збільшити ширину забороненої зони, що дозволить реалізувати технології ефективного управління електричним струмом, це застосування сильних електричних або магнітних полів, використання багатошарових структур і штучне введення добавок в структуру матеріалу. Але є й інші вчені, які вважають такий підхід помилковим. На їхню думку, пора перестати намагатися змусити графен вести себе подібно до кремнію, а замість цього почати намагатися створювати абсолютно нові напівпровідникові прилади, в повній мірі використовують унікальні властивості графену.
Згадана вище група дослідників також пішла по одному з досить "накатаних" шляхів. Вчені виростили на поверхні кремнієвої підкладки графенові наноленты, шириною близько 40 нанометрів. Будова самої наноленты, спосіб її кріплення до підкладки і деякі інші структурні елементи послужили причиною того, що ця нанолента перестала бути просто електричним провідником, а вела себе більше як хвилевід, по краях якого рухалися потоки електронів, не входячи в контакт з кристалічною решіткою наноленты. При такому положенні справ в межах наноленты почав домінувати балістичний спосіб переміщення електронів, що в свою чергу спричинило десятикратне збільшення електричної провідності графену.
"Наші експерименти показали, що заснована частка загального потоку електронів припадає на електрони, які переміщаються по краях стрічки" - розповідає Уолт де Хеер, професор фізики з Технологічного інституту Джорджії, - "Звичайно і залишилася області матеріалу є інші рухомі електрони, але вони практично не взаємодію з електронами, що переміщаються по краях наноленты".
Проводячи експерименти, вчені випадково виявили, що втрутитися і порушити рух електронів по краях графенової наноленты досить легко. Вони дізналися про це, доторкнувшись щупом електричного вимірювального приладу до поверхні наноленты, електричний струм при цьому впав рівно в два рази. При дотику до наноленте двома щупами одночасно викликало зниження сили електричного струму в три рази.
"Те, що ми виявили, є робочим методом управління електричним струмом, поточним через графен, і це є абсолютно новою технологією для виготовлення електроніки, принципи роботи якої кардинально відрізняються від принципів роботи сучасної електроніки" - розповідає професор де Хеер, - "Ми вже зараз можемо регулювати потік електронів, а використовуючи цю можливість можна прямо зараз приступити до створення елементарної логічної електроніки".
Справедливості заради варто відзначити, що самі дослідники визнають те, що у них ще не має навіть теоретичних пояснень того, що їм довелося спостерігати експериментальним шляхом. Тому для повного оволодіння цими технологіями ученим належить провести безліч додаткових досліджень в області фундаментальної фізики і квантової механіки. Ці дослідження можуть бути тривалими і дорогими, але справа варта того, адже в разі успіху людям відкриються зовсім нові горизонти використання графена в електроніці майбутнього.