Углеродные наноточки на основе угля позволят создавать 2D-электронику нового поколения

Одним из кандидатов на продолжение тенденции к увеличению вычислительной мощности являются «двумерные» материалы: их толщина составляет всего один атом, но при этом они могут сохранять отличные электронные характеристики даже после того, как кремний начинает сталкиваться со значительными трудностями при масштабировании. Однако структурная особенность, которая дает двумерным материалам это преимущество, также усложняет их использование в практических целях.

Двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена, перспективны для использования в полупроводниковых устройствах не только потому, что они атомарно тонкие, но и потому, что в них нет «свободных связей» — свободных поверхностных электронов, не участвующих в химических связях.

Когда кремний масштабируется до ультратонких размеров, поверхностные оборванные связи и дефекты интерфейса рассеивают и замедляют электроны, несущие ток. Благодаря отсутствию свободных электронов 2D-материалы являются перспективными кандидатами для создания более компактных и эффективных транзисторов, но эта же особенность затрудняет использование 2D-материалов для производства устройств.

Ученые из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США (National Energy Technology Laboratory, NETL), определили, что углеродные наноточки — графен-подобные частицы шириной от 1 до 5 нанометров и толщиной в один атомный слой — полученные из битуминозного угля, могут служить межфазным связующим на атомном уровне.

Они способствуют интеграции с двумерными материалами, такими как графен и дисульфид молибдена, не вступая в реакцию с двумерными каналами, обеспечивая чистый интерфейс и способствуя росту ультратонких термостабильных диэлектриков.

«Устройства, изготовленные из двумерных материалов, очень привлекательны, потому что их можно масштабировать до тех размеров, при которых кремний начинает испытывать значительные проблемы с производительностью, — говорят ученые,— Но без трехмерной химической структуры очень сложно напрямую вырастить сверху изолирующие диэлектрические слои, необходимые для работы транзистора. Это очень давняя проблема, и мы нашли решение в неожиданном месте: углеродные наноточки, изготовленные из переработанного угля, служат грунтовочным слоем для выращивания тонких высококачественных диэлектриков на двумерных материалах с чистым интерфейсом — важнейшим этапом в производстве транзисторов».

Исследователи сообщили в журнале Nature Communications, что диэлектрические слои превышают отраслевые целевые показатели, установленные IEEE в Международной дорожной карте для устройств и систем, при эквивалентной толщине оксида 0,6 нанометра и плотности тока утечки ниже 0,1 миллиампер на квадратный сантиметр.

Кроме того, они продемонстрировали, что полевые транзисторы и интегральные логические элементы, изготовленные этим методом, работают при напряжении около 0,5 вольта, что значительно ниже рабочего диапазона от 0,6 до 0,8 вольта, характерного для современных передовых кремниевых технологий. Это снижает энергопотребление при вычислениях.