Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники РАН совместно с коллегами из зарубежных организаций обнаружили новый механизм туннелирования электронов через ультратонкие барьеры. Оказалось, что сложный маршрут через два «промежуточных пункта» в барьерном материале на порядок эффективнее для прохождения тока, чем прямой короткий путь. Открытие позволяет создать метод сверхточной диагностики свойств материалов для электроники следующего поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале npj 2D Materials and Applications.
Современная наноэлектроника активно развивает ван-дер-ваальсовы гетероструктуры – своеобразные «сэндвичи» из атомарно тонких материалов, таких как проводящий графен и изолирующий гексагональный нитрид бора (hBN). Нитрид бора часто используется как туннельный барьер в современных транзисторах.
Считалось, что электроны преодолевают этот барьер преимущественно упруго – то есть без потери энергии, в некоторых случаях дополнительно используя отдельные дефекты в изоляторе как «ступени». Однако российская команда продемонстрировала, что, если в барьере присутствуют два близко расположенных дефекта, динамика процесса радикально меняется.
Эксперименты показали, что в определенных условиях электронам выгоднее преодолевать изоляционный барьер сложным путем с потерей энергии, чем туннелировать напрямую. Электрон может совершить неупругий прыжок: сначала на один дефект, затем на соседний, теряя при этом часть энергии (например, испуская фонон или плазмон), и только потом завершить путь.
«Мы обнаружили парадоксальный эффект: при наличии двух близко расположенных дефектов в барьере электронам выгоднее туннелировать через оба состояния с потерей энергии, чем напрямую. Представьте, что вы пытаетесь перепрыгнуть широкую реку. Прямой прыжок требует колоссальных усилий. Но если посередине есть два близко расположенных камня, вы предпочтете сделать два коротких прыжка, даже если при переходе с камня на камень придётся немного оступиться. В наномасштабе такой ″обходной путь″ через соседние дефекты становится решающим преимуществом», – пояснил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов.
Обнаруженный эффект лег в основу метода туннельной спектроскопии беспрецедентной точности. С его помощью учёные смогли измерить ширину запрещённой зоны в двухслойном графене (42 мэВ) и в графене с муаровой сверхструктурой кристаллической решётки (7 мэВ), а также точно определить угол поворота кристаллических решёток (~1°).
По словам учёных, обнаруженный эффект также меняет представление о физике нанотранзисторов, где изменение вероятности туннелирования зачастую является основным принципом управления электрическим током. Если ранее главенствующим являлось представление о туннелировании как об упругом процессе, то теперь ясна огромная роль процессов передачи энергии от электрона к иным (квази)частицам. В ближайшее время команда коллектива рассчитывает включить обнаруженные эффекты в программы для расчета квантового транспорта в нанотранзисторах. Это позволит разрабатывать новые приборы наноэлектроники, в том числе транзисторы со сверхмалым энергопотреблением.
Разработка имеет важное значение для развития наноэлектроники, поскольку изготовленное устройство является первым в своем классе транзистором, переключение которого основано на резкой активации неупругого туннелирования. Туннельные транзисторы и ранее рассматривались как перспективные энергоэффективные переключатели, где вероятность неупругого туннелирования изменялась на несколько порядков величины при приложении сверхмалого напряжения. Для обнаруженного неупругого туннелирования активация требует еще меньших управляющих напряжений, что создает потенциал дальнейшего увеличения энергоэффективности туннельных транзисторов.
Исследование выполнено международной командой при участии учёных из Национального института материаловедения (Япония), Сямэньского университета (Китай), Национального университета Сингапура, Ереванского государственного университета (Армения).
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
