Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники РАН, а также зарубежные ученые выявили ранее неизвестный механизм туннелирования электронов сквозь ультратонкие барьеры. Установлено, что электроны проходят через эти барьеры по сложному маршруту, включающему два «промежуточных пункта» в барьерном материале сопротивление току на порядок выше, чем при прямом коротком соединении. Это открывает возможность разработки способа высокоточного определения характеристик материалов, предназначенных для электроники будущего. О результатах исследования сообщается в журнале npj 2D Materials and Applications.
Современная наноэлектроника активно развивает ван-дер-ваальсовы гетероструктуры – это конструкции, состоящие из слоев атомно тонких материалов, например, проводящего графена и изолирующего гексагонального нитрида бора (hBN). Гексагональный нитрид бора находит широкое применение в качестве туннельного барьера в современных транзисторах.
Предполагалось, что электроны в основном преодолевают этот барьер упруго – то есть без потерь энергии, в ряде ситуаций даже с применением отдельных дефектов в изоляторе в качестве своеобразных «ступенек». Тем не менее, российские ученые показали, что при наличии в барьере двух близко расположенных дефектов, ход процесса претерпевает существенные изменения.
Исследования продемонстрировали, что при конкретных условиях для электронов более выгодно преодолевать изоляционный барьер не прямым туннелированием, а сложным маршрутом, сопровождающимся потерей энергии. В этом случае электрон способен совершить неупругое перемещение: он последовательно взаимодействует с одним дефектом, затем с другим, при этом теряя энергию (например, излучая фонон или плазмон) и лишь после этого завершает свой путь.
«В ходе исследования был выявлен неожиданный результат: когда в барьере находятся два близко расположенных дефекта, электронам энергетически выгоднее протуннелировать через оба дефекта, чем напрямую. Это можно сравнить с попыткой преодолеть широкую реку. Прямой прыжок потребует значительных затрат энергии. Однако, если в середине реки есть два близко расположенных острова, предпочтительнее совершить два коротких прыжка, даже если при переходе с одного острова на другой потребуется небольшая корректировка. В наномасштабе такой «обходной маршрут» через соседние дефекты становится ключевым фактором », – уточнил доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института Дмитрий Свинцов.
Замеченный эффект послужил фундаментом для разработки метода туннельной спектроскопии, обладающего беспрецедентной точностью. Благодаря этому методу исследователи смогли определить ширину запрещённой зоны в двухслойном графене (42 мэВ) и в графене с муаровой сверхструктурой кристаллической решётки (7 мэВ), а также с высокой точностью установить угол поворота кристаллических решёток (~1°).
Учёные утверждают, что выявленный эффект корректирует существующие взгляды на физику нанотранзисторов, поскольку изменение вероятности туннелирования часто служит ключевым механизмом управления электрическим током. Ранее доминирующей представлялась концепция упругого туннелирования, однако теперь становится очевидной значительная роль процессов передачи энергии от электрона к другим (квази)частицам. В ближайшей перспективе коллектив планирует интегрировать полученные данные в программы, предназначенные для расчёта квантового транспорта в нанотранзисторах. Это позволит создавать инновационные устройства наноэлектроники, включая транзисторы с существенно сниженным энергопотреблением.
Развитие наноэлектроники напрямую связано с разработкой новых технологий, и представленное устройство является важным шагом в этом направлении, поскольку это первый в своем роде транзистор, работа которого основана на резком увеличении вероятности неупругого туннелирования. Ранее туннельные транзисторы уже предлагались как многообещающие решения для создания энергоэффективных переключателей, поскольку при подаче небольшого напряжения вероятность неупругого туннелирования может изменяться на значительную величину. Активация неупругого туннелирования, обнаруженная в данном исследовании, требует еще меньших управляющих напряжений, что открывает возможности для дальнейшего повышения энергоэффективности туннельных транзисторов.
В работе над исследованием принимала участие международная группа ученых, представляющих Национальный институт материаловедения (Япония), Сямэньский университет (Китай), Национальный университет Сингапура и Ереванский государственный университет (Армения).
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ