Ученые смогли сделать транзистор из графена

Учёные национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли смогли поставить эксперимент, в котором структура из графена смогла переключаться из одного фазового состояния в другое под воздействием управляющего напряжения.

Имитирующая транзистор структура представляет собой три слоя графена, каждый из которых толщиной в один атом, и два слоя нитрида бора по одному сверху и снизу графенового пакета.

Также к слоям нитрида бора подведены электроды для создания управляющего поля. Для работы структуру пришлось охладить до температуры около 5 К. Поскольку теория для сверхпроводимости при высоких температурах имеет массу белых пятен, подбирать значения управляющих напряжений и температуру охлаждения пришлось экспериментально, с чем учёные успешно справились.

При одном значении напряжения (силе вертикального электромагнитного поля) «транзистор» прекращал проводить электрический ток ― находился в закрытом состоянии, а при повышении мощности или при дальнейшем снижении температуры (ниже 40 милликельвин) превращался в сверхпроводник и проводил электричество. Физика процесса при этом следующая. Строение нитрида бора шестиугольное, которое напоминает строение графена, но из-за разницы расстояний между атомами совпадает с ним только на определённых участках. При наложении структур (листов) образуется так называемая муаровая сверхрешётка с регулярно чередующимися (примерно через 10 нм) участками почти полного совпадения. «Транзисторные переходы» возможно создавать как раз в таких зонах.

Муаровая сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

При температуре около 5 К и до определённого значения напряжения структура представляет собой моттовский диэлектрик. В теории она должна проводить электроны, но из-за сильного взаимодействия электронов этого не происходит. Нарушить равновесие и перевести структуру в режим сверхпроводимости можно либо с помощью сильного электромагнитного поля, либо в случае дальнейшего охлаждения структуры. Тогда создадутся условия, при которых электроны локально перестанут удерживать друг друга и устремятся в «колодцы» в зонах совпадения кристаллических решёток, а «транзистор» перейдёт в открытое состояние.