Физики обнаружили «обходные способы» туннелирования электронов
Учёные из МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники РАН и их зарубежные коллеги (из Японии (NIMS), Китая (Сямэньский университет), Сингапура и Армении (ЕГУ)) совершили открытие, которое меняет фундаментальные представления о работе нанотранзисторов. Исследование опубликовано в журнале npj 2D Materials and Applications.
Команда под руководством Дмитрия Свинцова (завлабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ) обнаружила новый механизм прохождения электронов через ультратонкие изолирующие барьеры (например, из нитрида бора).
Туннелирование - квантовомеханический процесс, при котором электрон преодолевает потенциальный барьер, даже если его энергия ниже высоты этого барьера. В нанотранзисторах часто используются ван-дер-ваальсовы гетероструктуры - слои из атомарно тонких материалов, например проводящего графена и изолирующего гексагонального нитрида бора (hBN). Ранее считалось, что электроны преодолевают такой барьер преимущественно упруго - без потери энергии, иногда используя отдельные дефекты в изоляторе как «ступени». Эксперимент показал: если в барьере есть два близко расположенных дефекта, электрону энергетически выгоднее пройти через оба, теряя энергию (испуская фонон или плазмон), чем туннелировать напрямую.
Д. ф.-м. наук Дмитрий Свинцов из МФТИ поясняет: «Представьте, что вы пытаетесь перепрыгнуть широкую реку. Прямой прыжок требует колоссальных усилий. Но если посередине есть два близко расположенных камня, вы предпочтёте сделать два коротких прыжка, даже если при переходе с камня на камень придётся немного оступиться. В наномасштабе такой «обходной путь» через соседние дефекты становится решающим преимуществом».
Это не просто еще одна находка, которая так и останется в стенах лаборатории.
Эффект уже лёг в основу метода туннельной спектроскопии с беспрецедентной точностью. Учёным удалось измерить ширину запрещённой зоны в двухслойном графене (42 мэВ) и угол поворота кристаллических решёток (~1°).
В перспективе понимание механизма неупругого туннелирования позволяет создавать транзисторы, переключение которых требует ещё более низких управляющих напряжений, чем в классических туннельных переключателях.
@RUSmicro, иллюстрации - авторов исследования