Самый маленький в мире транзистор

[Сергей Шишкин]

Полные ПДФ-версии номеров газеты «Троицкий вариант» находятся по адресу http://www.scientific.ru/trv.

Троицкий вариант. Выпуск № 2N (807) 29 апреля 2008 г. Стр. 11.

Самый маленький в мире транзистор

ГРАФЕН - стремительно восходящяя яркая звезда на горизонте современной физики конденсированного состояния и материаловедения. База данных Web of Science находит всего около 1000 публикаций, в названии которых стоит слово «графен», причем 90% из них опубликовано уже после 2004 года, когда вышла работа Константина Новоселова и Андрея Гейма с соавторами «Electric field effect in atomically thin carbon films» ( K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov; Science, 306, 666-669 (2004)) - одна из наиболее цитируемых статей (около 200 ссылок только с начала 2008 года!) в этой бурно развивающейся и захватывающей области науки. За это короткое время графен уже успел побывать на обложках самых престижных научных журналов (Science, Nature, Physical Review Letters, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Nano Letters). На прошлой неделе в исследовании графена поставлена очередная важная веха - опубликована новая статья с загадочным названием «Хаотический Дираковский бильярд в графеновых квантовых точках» (L.A. Ponomarenko, F. Schedin, M.I. Katsnelson, R. Yang, E.W. Hill, K.S. Novoselov, A.K. Geim; Science, 320, 356-358 (2008)), в которой продемонстрировано функционирование при комнатной температуре одноэлектронного графенового транзистора размером всего 30 нанометров. Энтузиасты теперь утверждают, что речь идет о настоящей революции в наноэлектронике и о том, что очень скоро графен заменит кремний в качестве основы полупроводниковых устройств.

За комментариями «Троицкий вариант» обратился к одному из соавторов этой последней работы, профессору теоретической физики Университета Радбоуд в Наймегене (Голландия) Михаилу Кацнельсону.

ТрВ: Что такое графен, как он получается?

МК: Графен - это однослойный углерод. Получается он из графита. В графите очень сильная химическая связь между атомами углерода внутри слоя и сравнительно слабая связь между слоями. Поэтому графит такой мягкий - слои легко скользят друг относительно друга. Когда вы пишете карандашом по бумаге, иногда отслаивается миллион слоев, иногда - тысяча, а иногда один. Удивительная удача (или удивительное прозрение) первооткрывателей графена в том, что благодаря интерференционным явлениям одноатомный слой углерода на кварцевой пластинке определенной толщины дает контраст, вполне заметный глазу (в обычный оптический микроскоп). Задним числом, кстати сказать, все почти очевидно. Оптическую часть можно (и нужно) рассказывать студентам младших курсов, а то и школьникам. Лучшие образцы для исследований получаются просто с помощью скотча: ленту прижимают к графиту, потом к кварцу... Самое трудное - отобрать действительно одиночные слои и доказать, что они одиночные. Но сейчас это уже умеют делать многими способами. Умеют получать и свободно висящие графеновые мембраны... Тут можно много говорить, лучше я отвечу на конкретные вопросы по мере поступления.

ТрВ: Если все так просто, то почему графен научились делать только недавно?

МК: Насколько понимаю, тут был психологический барьер. В учебниках же написано, что двумерных кристаллов не бывает...

ТрВ: Чем и почему графен так сильно отличается от углеродной нанотрубки, которая, казалось бы, тот же лист графена, только свернутый в трубочку?

МК: Ну, так сворачивание в трубочку - процедура небезобидная. Нанотрубки могут быть металлическими, полупроводниковыми... Обычно получается дикая смесь нанотрубок разных размеров и разных свойств, и потом их мучительно разделяют. А свойства графена прекрасно воспроизводимы. Чем отличается? Ну, у одномерных систем своя физика, у двумерных - своя... Квантовый эффект Холла, например... Шероховатости... как будет сказать по-русски «рипплы»?

ТрВ: Насколько я понимаю, электронная структура графена позволяет наблюдать некие особенные квантовые эффекты в этом материале. В чем эти особенности как с точки зрения чисто научного любопытства и физического изящества, так и с точки зрения практического использования этих эффектов?

МК: Носители тока в графене подобны ультрарелятивистским дираковским фермионам. То есть элементарным частицам с нулевой массой покоя или с огромной энергией. Но при этом роль скорости света в графене играет величина, в триста раз меньшая. Поэтому многие квантово-релятивистские эффекты, выглядящие чистой экзотикой в реальном мире, вполне легко наблюдаемы (и важны) в графене. Например, пробой вакуума. Согласно квантовой электродинамике, атомные ядра с зарядом больше 170 зарядов электрона локально разрушают вакуум, выбивая из него электронно-позитронные пары. Это важный результат, он показывает наряду с другими подобными (такими, как упоминаемый ниже «парадокс Клейна»), что релятивистской квантовой механики не бывает, релятивистской и квантовой может быть только теория поля. Так что, как видите, речь идет о самых основах современной физики. Но таких ядер не существует, по крайней мере пока мы их получать не умеем. А вот в графене аналогичные явления должны сравнительно легко наблюдаться уже вокруг обычных, двух-трехвалентных, заряженных примесей. Это следует из теории, которую мы развили недавно с Леней Левитовым и Андреем Шитовым. Другой пример - «парадокс Клейна». Ультрарелятивистские квантовые частицы могут проходить практически без потерь через очень высокие и толстые барьеры: частица под барьером превращается в античастицу, распространяется в таком извращенном виде, а потом возвращает себе исходный облик. Опять же, в настоящей Вселенной такое никогда не наблюдалось, а парадокс Клейна обсуждался в основном в связи с жуткой экзотикой типа испарения черных дыр. В графене это - одно из основных явлений, которое определяет его транспортные свойства. Практическая польза? Пользы здесь, кажется, никакой, один вред. Из-за этого толком и транзистор не сделаешь на p-n переходах, как в обычных полупроводниках. Его просто не запрешь, транзистор этот. Поэтому важное направление исследований сейчас - как открыть щель в электронном спектре графена, сделать графен нормальным полупроводником, не портя при этом его хорошие свойства (планарность и высокую электронную подвижность). Так что самая известная моя графеновая работа (не там, где экспериментаторам свечку держал, а сугубо теоретическая), про клейновский парадокс, вполне, так сказать, вредительская по характеру.

ТрВ: Действительно ли главная «фишка» графена в том, что у него линейный закон дисперсии, а не параболический, как в обычных полупроводниках? Что из этого следует?

МК: Кое-что следует прямо из этого. Например, поэтому у электронов в графене такая хорошая подвижность - при параболическом законе дисперсии рассеяние на дефектах той же концентрации было бы много сильнее. Поэтому гораздо ярче выражено размерное квантование в квантовых точках, и одноэлектронный графеновый транзистор размером с нано-чего-тотам может работать при комнатной температуре. Но важно и другое, например, электронно-дырочная симметрия, например, так называемая хиральность...

ТрВ: Правильно ли, что квантовая точка - маленькая потенциальная ямка в веществе, где уровни электрона дискретны, как в атоме?

МК: Более-менее, да.

ТрВ: А что такое квантовый конфайнмент? Известен кварковый конфайнмент - там это сильно нелинейная вещь. А здесь?

МК: Да просто запирают частицы в ямке. Электростатическим потенциалом носители тока в графене не запрешь, из-за парадокса Клейна, электроны выльются, лучше всего просто рвать связи. Вырезать квантовые точки. Насколько понимаю, струей плазмы.

ТрВ: Слова «нейтринный бильярд» даже для людей, имевших дело с нейтрино, звучат некоторой абракадаброй. Что имеется в виду?

МК: Нейтрино - это ферми-частица с нулевой массой (то есть сейчас известно, что с ненулевой, но очень, очень маленькой). Носители тока в графене в этом смысле подобны заряженным нейтрино. Там свои заморочки, связанные с интимной связью между направлением движения и направлением спина. Поэтому отражение от краев квантовой точки (это и есть бильярд - кусок плоскости, ограниченный отражающими стенками) происходит совсем не так, как для нерелятивистских квантовых частиц. Ну, и энергетический спектр из-за этого устроен по-другому.

ТрВ: И наконец, в двух словах: как из всего этого можно получить электронику на молекулярных масштабах?

МК: Что такое транзистор? Это, совсем грубо, когда, прикладывая небольшое напряжение посередине, можно сильно влиять на ток сквозь устройство. В квантовой точке спектр уровней дискретный, как в атоме, и зависит от приложенного потенциала. Когда один из энергетических уровней в точке выравнивается с энергией электронов в контакте, проводимость резко возрастает; когда настройка сбивается - падает. Из-за особенностей энергетического спектра электронов в графене дискретность уровней энергии в графеновой квантовой точке более выражена, чем в полупроводниковой тех же размеров. Что хорошо, так как позволяет создать миниатюрное устройство, работающее не при температуре жидкого гелия, а при комнатной температуре.

ТрВ: И каковы вообще ближайшие перспективы практического использования графена?

МК: Недавно Андрей Гейм в Моттовской лекции, переходя к перспективам практического применения графена, рассказал такую историю. Водная прогулка, Черное море, дельфины. Все смотрят на резвящихся дельфинов как зачарованные. И вдруг маленький мальчик, громко: «Мама, а их едят?»... Так вот, наверное, едят... Графен - одновременно проводящий и прозрачный, что есть весьма хорошо для жидкокристаллических дисплеев. Из графена можно делать химические датчики исключительной чувствительности. Ну, и, все-таки, за транзистор еще поборемся. Недавняя наша («наша», опять же, в смысле держания свечки) статья в Science про графеновые квантовые точки в этом смысле обнадеживает.

ТрВ: Уже распространяется мнение, что получение графенового транзистора - это результат Нобелевского уровня. Совсем уж конкретно, некоторые читатели прямо спрашивают, когда, по Вашему мнению, Новоселову дадут Нобелевку? Не могли бы Вы прокомментировать этот ажиотаж для читателей «Троицкого варианта», например, в сравнении с другими работами по физике, удостоенными этой премии?

МК: Я бы не стал выделять именно транзистор, хотя, да, и транзистор тоже... На мой взгляд, открытие графена как целой новой области исследований - это, бесспорно, достижение Нобелевского уровня. Когда и кому конкретно чего дадут, зависит от такого числа обстоятельств, научных и не очень, что предсказывать тут невозможно... И в любом случае мне-то уж точно тут нужно помалкивать как человеку, слишком близкому к эпицентру событий и слишком хорошо лично знакомому со всеми ключевыми участниками. Я думаю, это понятно.

ТрВ: Заголовки научных новостей об очередных достижениях в исследовании графена в российских СМИ часто начинаются словами «Британские ученые открыли...» или «Группа британских и нидерландских ученых впервые обнаружила...» В то же время многих читателей «Троицкого варианта» интересует: каким образом среди открывателей и исследователей графена оказалось так много выходцев из России (насколько я понимаю, все - бывшие сотрудники РАН)? Как они все оказались в Манчестере, Наймегене и прочих местах, не столь отдаленных? Разве нельзя было все эти замечательные открытия делать в РАН?

МК: Андрей Гейм и Костя Новоселов работали раньше в Наймегене, в Нидерландах (я там сейчас работаю). Костя был аспирантом Андрея, потом они перебрались в Манчестер, графен был открыт уже в Манчестере. Ну, почему много русских? Образование хорошее, видимо, было все-таки. Достаточно широкое. Графен - проблема междисциплинарная, тут важно знать много и разное. Кстати, про парадокс Клейна я слышал очень давно, от моего учителя Вонсовского. И тогда, по возрастному идиотизму, недоумевал, зачем он мне об этом рассказывает - нет же никаких парадоксов в квантовой механике, читайте Ландау-Лифшица, там все написано. А вот пригодилось.

И Андрей, и Костя закончили в разное, естественно, время МФТИ. Когда-то это был, действительно, видимо, лучший в мире центр подготовки физиков. Но, знаете, МФТИ закончила масса людей, от которых толку... эээ... существенно меньше. Так что все, как всегда, определяется флуктуациями. Опять же, широкий круг интересов... Я был у Кости, по-советски говоря, одним из оппонентов на защите диссертации в Наймегене. Никакого графена там в диссертации еще не было, они только-только опубликовали тогда свою первую графеновую статью в Science, а был там совершенно замечательный наномагнетизм. После защиты подхожу к Андрею, он был руководителем, говорю - вот, хотелось бы подробнее обсудить, как там у вас с Костей доменная стенка через примеси проходит. А он говорит: доменная стенка - это уже неактуально, а, вот, не знаю ли я, чего будет особенного с уровнями Ландау для ультрарелятивистских фермионов. Но я же тоже, так сказать, наш, советский человек. Говорю: в учебниках должно быть, или завтра сам посчитаю, но, и не считая, могу сказать, что будет там нулевой уровень, потому что теорема об индексе.

И заверте...

Про РАН... Можно и про РАН поговорить, если хотите. Отдельно. Ничего, если я буду грязно при этом материться? По-другому у меня эти разговоры почему-то не получаются.


Вопросы "Троицкого варианта" задавал Андрей Калиничев.

"ТрВ" благодарит А.Талызина за помощь в подготовке вопросов для интервью.