Как из нанотрубки сделать крошечный транзистор

 © minobrnauki.gov.ru

В статье в журнале Science российские ученые рассказывают о том, как создать внутримолекулярный транзистор на основе углеродных нанотрубок. Исследование проведено с иностранными коллегами из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония), его результатом стало создание очень маленького транзистора, который может использоваться в будущих поколениях вычислительных устройств.

Углеродные нанотрубки (УНТ) — это самые жесткие и прочные синтезированные материалы, они обладают уникальными электрическими и тепловыми свойствами и имеют множество применений, от электроники до материаловедения. УНТ привлекают внимание исследователей с момента выхода первых работ Радушкевича и Лукьяновича в далеких 1950-х годах, а также Моринобу Эндо (Morinobu Endo) и Милдред Дрессельхаус (Mildred S. Dresselhaus) конца 1980-х.

Бум нанотрубок случился в 1991 году, с работы Сумио Иидзимы (Sumio Iijima), в которой он наблюдал гексагональную атомную структуру многостенных УНТ, доказав, таким образом, что нанотрубка — это свернутый лист графена. Однако, несмотря на стремительное развитие технологий, процесс разделения УНТ по свойствам и геометрическим параметрам все еще остается нерешенной проблемой.

«Любую углеродную нанотрубку можно представить в виде свернутого листа графена. При этом способ свертки определяет не только структуру трубок, но и их свойства. В зависимости от типа свертки они могут быть либо металлическими, либо полупроводниковыми», — рассказывает соавтор исследования, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин.

Результатами исследования стало создание внутримолекулярного транзистора на основе УНТ. Японские исследователи из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) смогли путем сильного нагрева и приложения механических деформаций в контролируемом режиме избирательно изменять диаметр отдельных нанотрубок внутри просвечивающего электронного микроскопа.

«Было сделано крайне интересное фундаментальное открытие. Наблюдаемый эффект может привести к разработке крошечных транзисторов для будущих поколений передовых вычислительных устройств», — заключил ученый.

 © minobrnauki.gov.ru

Рисунок 1 Сверху вниз, слева направо: Схематическое изображение внутримолекулярного транзистора. ПЭМ изображение УНТ после термомеханической обработки. Результаты расчета распространения электронного фронта через УНТ с переменной хиральностью

Сотрудники ИБХФ РАН Дмитрий Квашнин и Виктор Демин рассчитали распространение электронной волны и выяснили, что изменение диаметра привело к тому, что внутри одного нанометрового объекта образовался непрерывный переход металл-полупроводник-металл.

«Наблюдаемые эффекты являются аналогом интерференции на атомарном уровне, а полученное устройство — квантовым интерферометром Фабри-Перо», — пояснил Дмитрий Квашнин.

Ученые из Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС» доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Сергей Ерохин предложили принципиально новый механизм изменения диаметра нанотрубок под действием тепла и механического растяжения.

«Из-за воздействия сильного нагрева нами был принят во внимание эффект испарения углеродных димеров и связанный с этим процесс образования дефектов, которые и приводят к такому изменению структуры нанотрубок, в полном соответствии с экспериментальными наблюдениями», — прокомментировал соавтор исследований, ведущий научный сотрудник НИТУ МИСиС Павел Сорокин.

Результаты многолетней работы свидетельствуют о перспективах контролируемого изменения хиральности (свойстве молекул не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением) одностенных углеродных нанотрубок. Это открывает возможности для создания транзисторов субнанометровых размеров, демонстрирующих квантовую интерференцию при комнатной температуре.

Именно такие УНТ будут востребованы в наноэлектронных устройствах нового поколения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science (Science, 374 (6575) 1616-1620 (2021), 10.1126/science.abi8884)

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.