Войти

Графеновые наноленты для сверхчувствительного сенсора

1470
0
0
Графеновые наноленты для сверхчувствительного сенсора
Графеновые наноленты для сверхчувствительного сенсора.
Источник изображения: rusnanonet.ru

Прототип сверхчувствительного сенсора на основе графеновых нанолент разработал международный коллектив специалистов из научных центров Германии, России, США, Канады и Японии. Cоавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев в составе группы ученых занимался созданием численной модели, описывающей квантовые явления, за счет которых были достигнуты выдающиеся характеристики сенсорного устройства.

Высокая чувствительность сенсора обеспечивается эффектом квантового туннелирования и использованием латеральных гетеропереходов ― графеновые нанополоски разного типа проводимости размещаются бок о бок, а не наслаиваются друг на друга, как это традиционно бывает в полупроводниковых структурах. Пока ученые показали высокую восприимчивость сенсора к литию, но рассчитывают, что сенсор будет чувствителен к любым веществам, которые могут быть донорами электронов. Это, например, другие щелочные металлы (натрий, калий и т.д.), некоторые газы (водород, угарный газ), сульфиды и иные соединения.

"Прототип сенсора представляет собой транзистор, в основе которого графеновые наноленты, иначе говоря, полоски двух видов: разной толщины и проводимости. Ширина полосок одного типа ― 7 атомов углерода, каждая такая полоска ― полупроводник с широкой запрещенной зоной, у другого типа полосок ― ширина в 14 атомов углерода, и это ― узкозонный полупроводник (почти металл), - объясняет Алексей Ненашев. - Стыки между разными типами полосок ― гетеропереходы ― были допированы литием (введена его небольшая концентрация), что улучшает характеристики транзистора. Графеновые полоски сначала выращивались на золотой подложке, а потом были перенесены на кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния".

Во время экспериментов ученые обнаружили, что транзистор на основе нанолент лучше управляется ― требует меньшего напряжения на затворе для регулирования тока в сравнении с обычными полевыми транзисторами. То есть транзистор можно быстрее переключить, затрачивая меньше энергии. А сенсор на его основе будет чувствителен к очень малому количеству диагностируемого вещества.

Однако теоретическое обоснование механизма быстродействия оставалось неясным. Первый шаг к пониманию был сделан коллегиально. Специалисты научной группы предположили, что в структурах происходит квантовое туннелирование: электроны проходят сквозь "стены" ― энергетические барьеры. Далее детальной проработкой системы уравнений, подбором параметров модели занимался Алексей Ненашев.

"Модель очень простая: наша система представляла собой несколько квазиметаллических нанолент (шириной в 14 атомов углерода), соединяющихся другими нанолентами (шириной в 7 атомов). Эти более узкие наноленты описывались в модели как потенциальные барьеры для электронов. При изменении напряжения на затворе транзистора электроны туннелировали (упрощенно говоря ― просачивались) через барьеры, - объясняет Алексей Ненашев. - Туннелирование возможно только в квантовом мире, и именно за счет использования этого квантового эффекта нашей группе удалось получить улучшенные транзисторные характеристики. В модели мы приняли, что все потенциальные барьеры абсолютно одинаковы, соответственно, приложенное напряжение делилось поровну между барьерами. Это сильное упрощение, но тем не менее модель прекрасно работала, и все экспериментальные данные в нее укладывались".

Прозрачность барьера, обусловливающая возможность электрона "просочиться", зависит от энергии, которой обладает частица. И важно, что если энергию изменить лишь слегка, то прозрачность барьера может возрасти на порядки.

Эффект туннелирования в полупроводниковых структурах был открыт в 1970-е годы и с тех пор получил массу практических применений: он используется при записи информации на флеш-память, в работе сканирующего туннельного микроскопа ― "картировании" атомных структур поверхностей.

Высокая чувствительность сенсора, который разработали исследователи, тоже связана с туннельной проводимостью. При попадании на канал транзистора вещества, способного отдавать электроны, резко изменится ток, протекающий через транзистор. Померив величину изменения, можно определить количество вещества, попавшего на канал.Высокая чувствительность сенсора, который разработали исследователи, тоже связана с туннельной проводимостью. При попадании на канал транзистора вещества, способного отдавать электроны, резко изменится ток, протекающий через транзистор. Померив величину изменения, можно определить количество вещества, попавшего на канал.

"Пока наша разработка находится на исследовательской стадии, это заявка не на технологию, а на принцип действия, - добавляет Алексей Ненашев. - О практическом использовании результатов говорить рано".

Однако на данном этапе авторы полагают, что их достижения будут важны для широкого круга специалистов, заинтересованных в создании новых типов электронных устройств, в которых используются низкоразмерные материалы.

Исследование выполнялось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-52-00016 Bel-a). Детали исследования опубликованы в Nature Communications.

Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН


Схематическое устройство датчика на основе графеновых нанолент (Источник изображения: Nature Communications, лицензия Creative Commons)

Изображение графеновых нанолент, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа (Источник изображения: Nature Communications, лицензия Creative Commons)

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Похожие новости
29.06.2007
Второй в Европе
21.05.2007
МАШИНОСТРОИТЕЛИ ПРИОБРЕЛИ ЛОББИСТОВ Сергей Чемезов: под нашим крылом 50 тысяч предприятий и четыре миллиона специалистов
03.05.2007
Сергей Чемезов "Мы знаем, что делать"
28.04.2007
Российская ракета-носитель выведет на орбиту канадский спутник связи
26.02.2007
ГКНПЦ имени Хруничева заключил третий за неделю контракт на запуск иностранного спутника с помощью российской ракеты-носителя
13.02.2007
Антиядерный зонтик
18.12.2006
Экономике поможет ВПК
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Ежедневная рассылка новостей ВПК на электронный почтовый ящик
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 27.04 19:57
  • 5
ЦКБР заявил, что РФ необходимо создать мобильные команды для уничтожения FPV-расчетов ВСУ
  • 27.04 19:33
  • 135
Конкурента российского Су-75 из Южной Кореи впервые представили на выставке
  • 27.04 17:57
  • 479
Израиль "готовился не к той войне" — и оказался уязвим перед ХАМАС
  • 27.04 17:48
  • 1073
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 27.04 17:44
  • 2711
Как насчёт юмористического раздела?
  • 26.04 13:13
  • 0
Сопротивление на Украине: борьба с неонацизмом
  • 26.04 13:11
  • 2
Американский дрон Mojave с Minigun DAP-6 с общей скорострельностью 6000 выстрелов в минуту поразил наземные цели в ходе испытаний
  • 26.04 12:21
  • 1
Россия настаивает на необходимости запрета любого оружия в космосе, а не только ядерного - постпред РФ при ООН
  • 26.04 05:50
  • 1
Омрачить День Победы и инаугурацию: каких ударов ожидать от ВСУ в майские праздники
  • 26.04 00:07
  • 0
Танцы с бубном: США, Украина и военная помощь
  • 25.04 17:21
  • 2
Суд арестовал замминистра обороны РФ, на которого ФСБ пять лет собирало материалы по коррупции
  • 25.04 13:48
  • 3
Инженеры NASA впервые за пять месяцев смогли получить данные о состоянии зонда Voyager-1
  • 25.04 13:40
  • 463
Международные расчеты, минуя доллар, по странам
  • 25.04 12:48
  • 0
«Освей»: Космическая Беларусь берется за строительство самолетов
  • 25.04 09:30
  • 2
Разящий луч: как развиваются боевые лазеры