Уникальные свойства графена открывают множество перспектив, как практического применения, так и фундаментальных исследований на абсолютно новом уровне. Одно из возможных «амплуа» графена – это использование его в качестве сверхпроводника, а также в качестве основы сверхпроводящего транзистора. Заведующий лабораторией спектроскопии наноструктур Института спектроскопии РАН, профессор Юрий Лозовик комментирует свой доклад на одном из ФИАНовских семинаров.
Графен (он же, кстати говоря, представитель двумерных кристаллов, существование которых в течение долгого времени считалось невозможным) был впервые получен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым. После присуждения им в 2010 году Нобелевской премии об этом знают многие. Однако импульс, приведший к появлению графена, был запущен еще задолго до этого - в далеком 1947 году, когда в фирме Bell Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном был изобретен транзистор.
«Выдающийся теоретик Бардин сообразил, что в случае контакта «металл-полупроводник» можно управлять проводимостью полупроводника, обогащая его электронами при помощи внешнего напряжения, которое прикладывается к металлу. Таким образом, основой действия транзистора является управление проводимостью базы - полупроводника. Использовать вместо полупроводника металл нельзя, у него слишком велика концентрация носителей, и изменения при приложении напряжения будут незначительные. Но можно использовать полуметалл. И именно эта мысль, по-видимому, лежала в основе импульса, который привел к перспективе использования графита в качестве базы вместо полупроводника», - рассказывает Юрий Лозовик.
До появления транзисторов вся электроника базировалась на вакуумных лампах, не поддающихся масштабируемости, то есть постоянно уменьшать их размер нельзя, так как при этом изменяются и их свойства. Открытие транзистора изменило ситуацию кардинальным образом. В настоящее время закону Мура, согласно которому количество транзисторов в микросхемах каждые 1,5-2 года удваивается, уже больше 40 лет. В этом году характерный размер транзисторов составляет 32 нм. Предполагается, что в 2014 году он составит 22 нм, после чего ожидается очередной скачок - до 12 нм. Есть ли жизнь за пределами 12 нм с использованием широко используемого сейчас кремния – большой вопрос. Дело в том, что физические свойства полупроводника при значительном уменьшении размера могут изменяться, так как период решетки микрокластеров несколько иной, чем у объемного полупроводника. Также, если кластер очень маленький, то в нем может не оказаться примесей, а именно они определяют свойство полупроводника (какой он - n- или p- типа). Большое значение имеет и то, где находится примесь - в центре кластера или на его границе вблизи управляющего электрода. Интересен также вопрос - осуществим ли процесс масштабируемой нанолитографии? Потому как в соответствии с критерием Рэлея при работе на длине волны порядка 40 нм, сделать с помощью обычной фотолитографии 12-нанометровую точку невозможно. И это только часть принципиальных трудностей.
Графен, с точки зрения закона Мура,– его абсолютный предел, по крайней мере, в одном из измерений, ведь это пленка толщиной в один атом. К тому же свойства графена совместимы с традиционной плоской технологией полупроводникового транзистора; при этом его прочность в 200 раз выше стали, теплопроводность существенно выше меди (так как одной из главных проблем транзисторов является их нагрев, то это крайне важно), крайне высокая подвижность электронов (то есть маленькое удельное сопротивление). 
Не менее, а может, и более интересными являются необычные электронные свойства графена. Они хорошо описываются моделью, в которой зона проводимости и валентная зона отделены друг от друга нулевой щелью. Это два конуса, соприкасающиеся в своих вершинах, то есть графен – это полупроводник с нулевой энергетической щелью и нулевыми эффективными массами электронов и дырок. Так что в результате симметрии системы электроны и дырки по поведению становятся похожи на ультрарелятивистские частицы. За счет определенных механизмов (например, за счет обмена такими квазичастицами, как фононы или плазмоны) ультрарелятивистские электроны графена имеют способность спариваться, то есть графен может быть сверхпроводником. Юрий Лозовик и его коллеги смогли описать процесс спаривания электронов в графене за счет обмена фононами (см., например, ЖЭТФ, 2010, том 137, вып.1 - Ю.Е. Лозовик, С.Л. Огарков, А.А. Соколик, Теория сверхпроводимости дираковских электронов в графене). С этой целью они рассмотрели два противоположных случая - чистый графен и сильно допированный примесями.
«Когда мы рассматриваем чистый графен, то речь идет о многозонном спаривании, то есть спаривании, в котором участвуют частицы из разных зон – и из зоны проводимости и из валентной зоны. Допирование графена подразумевает гораздо более эффективное спаривание, в котором участвуют частицы, принадлежащие только одной зоне. При сильном химическом допировании графена константа связи электронов, за счет большой плотности электронных состояний, может достигать гораздо более существенных значений, чем в чистом графене. В этом случае особенно интересна концентрация допирования свыше 1012 см-2. Что касается критической температуры сверхпроводящего перехода, то в допированном графене, в отличие от чистого, она также выше», - делится профессор Лозовик.
Кстати, помимо собственной сверхпроводимости, упомянутый многозонный характер спаривания электронов в графене может проявляться и в случае близости сверхпроводника. Именно этот факт лежит в основе идеи сверхпроводящих бездиссипативных транзисторов - если поднести к сверхпроводнику слой графена, то он также станет сверхпроводящим.
АНИ «ФИАН-информ»
