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.
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.
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.
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)
