(A) Spettro elettronico E(p) nel grafene a doppio strato (a sinistra) e dipendenza energetica della sua densità di stati, DoS (a destra). A livelli energetici corrispondenti al bordo del "cappello messicano" il DoS tende all'infinito.(B) Le aree rosse mostrano gli stati degli elettroni che partecipano al tunneling nel grafene a doppio strato (a sinistra) e in un semiconduttore convenzionale con parabolica "ordinaria" bande (a destra). Gli elettroni che sono in grado di tunneling a basse tensioni si trovano nell'anello nel grafene, ma nel semiconduttore si trovano solo nel singolo punto. Le linee tratteggiate indicano le transizioni di tunneling. Le linee rosse indicano le traiettorie degli elettroni tunnel nella banda di valenza. Credito:autori dello studio
Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo tipo di transistor a base di grafene e la modellazione dimostra che ha un consumo energetico estremamente basso rispetto ad altri dispositivi a transistor simili. I risultati sono stati pubblicati in un articolo sulla rivista Rapporti scientifici . L'effetto più importante della riduzione del consumo energetico è che consente una maggiore velocità di clock del processore, in base ai calcoli, fino a due ordini di grandezza superiore.
"Il punto non è tanto il risparmio di elettricità:abbiamo un sacco di energia elettrica. A una potenza inferiore, i componenti elettronici si scaldano meno, e ciò significa che sono in grado di funzionare a una velocità di clock più elevata, non un gigahertz, ma 10 per esempio, o anche 100, "dice Dmitry Svintsov, il capo del Laboratorio di Optoelettronica e Materiali Bidimensionali del MIPT.
Costruire transistor in grado di commutare a basse tensioni (meno di 0,5 volt) è una delle maggiori sfide dell'elettronica moderna. I transistor a tunnel sono i candidati più promettenti per risolvere questo problema. A differenza dei transistor convenzionali, in cui gli elettroni "saltano" attraverso la barriera energetica, nei transistor a tunnel, gli elettroni "filtrano" attraverso la barriera tramite l'effetto tunnel quantistico. Però, nella maggior parte dei semiconduttori, la corrente di tunneling è molto piccola, impedendo l'utilizzo di transistor basati su questi materiali in circuiti reali.
Gli autori dell'articolo, scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT), l'Istituto di Fisica e Tecnologia RAS, e Università di Tohoku (Giappone), ha proposto un nuovo design per un transistor tunnel basato su grafene a doppio strato, e utilizzando la modellazione, hanno dimostrato che questo materiale è una piattaforma ideale per l'elettronica a bassa tensione.
Grafene, che è stato creato dagli ex alunni del MIPT Sir Andre Geim e Sir Konstantin Novoselov, è un 2D, reticolo a nido d'ape su scala atomica di atomi di carbonio. Come materiale 2D, le sue proprietà sono radicalmente diverse dalla grafite 3D.
L'area ombreggiata di 150 mV è l'intervallo di tensione operativa del transistor, che è molto più ristretto dell'intervallo operativo dei transistor al silicio convenzionali (500 mV). L'oscillazione sottosoglia (pendenza della caratteristica) del transistor proposto è anche significativamente superiore alla pendenza limite che può essere potenzialmente ottenuta dai MOSFET (transistor ad effetto di campo a metallo-ossido-semiconduttore). Questa pendenza limite è mostrata come una linea tratteggiata nell'immagine nel riquadro. Credito:autori dello studio
"Il grafene a doppio strato è costituito da due fogli di grafene attaccati l'uno all'altro con normali legami covalenti. È facile da realizzare come il grafene monostrato, ma a causa della struttura unica delle sue bande elettroniche, è un materiale molto promettente per interruttori tunneling a bassa tensione, " dice Svintsov.
Le bande di livello energetico del grafene a doppio strato assumono la forma di un "cappello messicano" (fig. 1A). Si scopre che la densità di elettroni che possono occupare spazi vicini ai bordi del "cappello messicano" tende all'infinito:questa è chiamata singolarità di van Hove. Con l'applicazione di una tensione anche molto piccola al gate di un transistor, un numero enorme di elettroni ai bordi del "cappello messicano" inizia a scavare contemporaneamente. Ciò provoca un brusco cambiamento di corrente dall'applicazione di una piccola tensione, e questa bassa tensione è la ragione del basso consumo energetico record.
Nella loro carta, i ricercatori sottolineano che fino a poco tempo fa, la singolarità di van Hove era appena percettibile nel grafene a doppio strato:i bordi del "cappello messicano" erano indistinti a causa della bassa qualità dei campioni. I moderni campioni di grafene su substrati di nitruro di boro esagonale (hBN) sono di qualità molto migliore, e pronunciate singolarità di van Hove sono state confermate sperimentalmente nei campioni mediante microscopia a scansione di sonda e spettroscopia di assorbimento infrarosso.
Una caratteristica importante del transistor proposto è l'uso del "drogaggio elettrico" (l'effetto di campo) per creare una giunzione p-n tunneling. Il complesso processo di drogaggio chimico, richiesto quando si costruiscono transistor su semiconduttori 3D, non è necessario (e può anche essere dannoso) per il grafene a doppio strato. Nel doping elettrico, elettroni aggiuntivi (o lacune) si verificano nel grafene a causa dell'attrazione verso le porte di drogaggio posizionate vicino.
In condizioni ottimali, un transistor al grafene può cambiare la corrente in un circuito 10, 000 volte con un'oscillazione della tensione di gate di soli 150 millivolt.
"Ciò significa che il transistor richiede meno energia per la commutazione, i chip richiedono meno energia, verrà generato meno calore, saranno necessari sistemi di raffreddamento meno potenti, e le velocità di clock possono essere aumentate senza la preoccupazione che il calore in eccesso distrugga il chip, " dice Svintsov.
