Уолтер де Хир, профессор регентской школы физики Технологического института Джорджии, сделал важный шаг вперед в обосновании преемника кремния. Де Хир и его сотрудники разработали новую платформу наноэлектроники, основанную на графене - единственном листе атомов углерода. Технология совместима с традиционным производством микроэлектроники, что необходимо для любой жизнеспособной альтернативы кремнию. В ходе своего исследования, опубликованного в Сообщения о природе, команда, возможно, также обнаружила новую квазичастицу. Их открытие может привести к производству меньших по размеру, более быстрых, эффективных и более устойчивых компьютерных чипов и имеет потенциальные последствия для квантовых и высокопроизводительных вычислений.

"Сила графена заключается в его плоской двумерной структуре, которая удерживается вместе самыми прочными из известных химических связей", - сказал де Хир. "С самого начала было ясно, что графен может быть миниатюризирован в гораздо большей степени, чем кремний, что позволяет создавать устройства гораздо меньшего размера, работающие на более высоких скоростях и производящие гораздо меньше тепла. Это означает, что, в принципе, на одном чипе из графена можно разместить больше устройств, чем на кремнии".

В 2001 году де Хир предложил альтернативную форму электроники на основе эпитаксиального графена, или эпиграфена - слоя графена, который, как было обнаружено, самопроизвольно образуется поверх кристалла карбида кремния, полупроводника, используемого в электронике высокой мощности. В то время исследователи обнаружили, что электрические токи протекают без сопротивления по краям эпиграфена и что графеновые устройства могут быть легко соединены между собой без металлических проводов. Эта комбинация позволяет создать электронику, основанную на уникальных светоподобных свойствах графеновых электронов.

"Квантовая интерференция наблюдалась в углеродных нанотрубках при низких температурах, и мы ожидаем увидеть аналогичные эффекты в эпиграфеновых лентах и сетях", - сказал де Хир. "Эта важная особенность графена невозможна с кремнием".

Построение платформы

Чтобы создать новую платформу наноэлектроники, исследователи создали модифицированную форму эпиграфена на кристаллической подложке из карбида кремния. В сотрудничестве с исследователями из Тяньцзиньского международного центра наночастиц и наносистем при Университете Тяньцзиня, Китай, они изготовили уникальные чипы из карбида кремния из кристаллов карбида кремния электронного класса. Сам графен был выращен в лаборатории де Хира в технологическом институте Джорджии с использованием запатентованных печей.

Исследователи использовали электронно-лучевую литографию, метод, обычно используемый в микроэлектронике, чтобы вырезать графеновые наноструктуры и приварить их края к чипам из карбида кремния. Этот процесс механически стабилизирует и уплотняет края графена, которые в противном случае вступили бы в реакцию с кислородом и другими газами, которые могли бы препятствовать движению зарядов вдоль края.

Наконец, чтобы измерить электронные свойства своей графеновой платформы, команда использовала криогенный аппарат, который позволяет им регистрировать ее свойства от температуры, близкой к нулю, до комнатной температуры.

Наблюдение за пограничным состоянием

Электрические заряды, которые команда наблюдала в граничном состоянии графена, были похожи на фотоны в оптическом волокне, которые могут перемещаться на большие расстояния без рассеяния. Они обнаружили, что заряды перемещались на десятки тысяч нанометров вдоль края, прежде чем рассеяться. Графеновые электроны в предыдущих технологиях могли перемещаться всего на 10 нанометров, прежде чем натыкаться на небольшие дефекты и рассеиваться в разных направлениях.

"Что особенного в электрических зарядах по краям, так это то, что они остаются на краю и продолжают двигаться с той же скоростью, даже если края не идеально прямые", - сказала Клэр Бергер, профессор физики в Технологическом институте Джорджии и директор по исследованиям Французского национального центра научных исследований в Гренобле., Франция.

В металлах электрические токи переносятся отрицательно заряженными электронами. Но вопреки ожиданиям исследователей, их измерения показали, что краевые токи переносились не электронами или дырками (термин для положительных квазичастиц, указывающий на отсутствие электрона). Скорее всего, токи переносились весьма необычной квазичастицей, которая не имеет ни заряда, ни энергии, и все же движется без сопротивления. Было замечено, что компоненты гибридной квазичастицы перемещаются по противоположным сторонам краев графена, несмотря на то, что они являются единым объектом.

Уникальные свойства указывают на то, что квазичастица может быть той, которую физики надеялись использовать в течение десятилетий - неуловимый фермион Майораны, предсказанный итальянским физиком-теоретиком Этторе Майораной в 1937 году.

"Разработка электроники с использованием этой новой квазичастицы в бесшовно взаимосвязанных графеновых сетях меняет правила игры", - сказал де Хир.

По словам де Хеера, вероятно, пройдет еще от пяти до 10 лет, прежде чем у нас появится первая электроника на основе графена. Но благодаря новой эпитаксиальной графеновой платформе, разработанной командой, технология как никогда близка к тому, чтобы сделать графен преемником кремния.