Квантовый туннель графена открывает эру высокоскоростной беспроводной связи в терагерцовом диапазоне

Квантовый туннель. Фото: Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Ученые из МФТИ, МГПУ и Манчестерского университета создали высокочувствительный терагерцовый детектор, основанный на воздействии квантово-механических туннелей на Графен. Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы применения графеновых детекторов в беспроводной связи, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале. Nature Communications.

Передача информации в беспроводных сетях основана на преобразовании непрерывной высокочастотной электромагнитной волны в дискретную последовательность битов. Этот метод известен как модуляция сигнала. Чтобы передавать биты быстрее, нужно увеличить частоту модуляции. Однако для этого требуется одновременное увеличение несущей частоты. Обычное FM-радио передает на частотах до ста мегагерц, приемник Wi-Fi использует сигналы с частотой около пяти ГГц, а сети мобильных телефонов 5G могут передавать сигналы до 20 ГГц.

Это далеко от предела, и еще одно увеличение несущей частоты позволяет пропорционально увеличить скорость передачи данных. К сожалению, захват сигналов на частотах от ста ГГц и выше становится все более сложной проблемой.

Типичный приемник, используемый в радиосвязи, состоит из транзисторного усилителя для слабых сигналов и демодулятора, который корректирует битовую последовательность модулированного сигнала. Эта схема возникла в эпоху радио и телевидения и стала неэффективной на частотах в сотни гигагерц, которые желательны для мобильных систем. Правда в том, что большинство транзисторов недостаточно быстрые, чтобы заряжаться на такой высокой частоте.

Эволюционный путь решения этой проблемы – только увеличение максимальной рабочей частоты транзистора. Большинство специалистов наноэлектроники трудно работать в этом направлении. Революционный метод решения проблемы был теоретически предложен в начале 1990-х годов физиками Майклом Дьяконовым и Майклом Шуром и реализован, среди прочего, Составлено авторским коллективом в 2018 г.. Это означает отказ от активного транзисторного усиления и отказ от дискретного демодулятора. В схеме остался один транзистор, но теперь его роль изменилась. Он преобразует измененный сигнал в битовую последовательность или в аудиосигнал сам по себе из-за нелинейной зависимости между током и падением напряжения.

В настоящей работе авторы продемонстрировали высокую эффективность регистрации терагерцового сигнала в так называемых туннельных полевых транзисторах. Чтобы понять его работу, достаточно вспомнить принцип работы электромеханического реле, в котором прохождение тока через управляющие контакты приводит к механическому соединению двух проводников и, соответственно, возникновению тока. В туннельном транзисторе подача напряжения на управляющий контакт (называемый “ затвор ”) приводит к выравниванию уровней мощности источника и канала. Это также вызывает протекание тока. Отличительной чертой туннельного транзистора является его чрезвычайно высокая чувствительность управления напряжением. Даже простой «деконструкции» энергетических уровней достаточно, чтобы прервать тонкий процесс квантово-механического туннелирования. Точно так же небольшое напряжение на управляющем затворе может «соединить» уровни и инициировать туннельный ток.

Дмитрий Свенцов, один из авторов исследования, говорит заведующий лабораторией 2D-материалов для оптоэлектроники Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ. «Но это известно только в сообществе маломощной электроники. Никто до нас не понимал, что одна и та же характеристика туннельного транзистора может быть применена в технологии детекторов терагерцового диапазона. Георгий Алимов (соавтор исследования). Затем мы поняли: если бы это было сделано, открывая и закрывая транзистор с низким уровнем сигнала управления, он также должен хорошо улавливать слабые сигналы из окружающей среды ».

Созданное устройство основано на двухслойном графене – уникальном материале, с помощью которого можно контролировать положение энергетических уровней (точнее, зонную структуру) с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между классическим и квантовым туннелированием в рамках одного устройства, просто меняя полярность напряжения на управляющих контактах. Эта возможность имеет первостепенное значение для точного сравнения детектирующей способности классического и количественного туннельного транзистора.

Практика показала, что чувствительность устройства в туннельном режиме несколько выше, чем в классическом режиме передачи. Минимальный сигнал, который детектор выделяет на шумном фоне, фактически составляет конкуренцию коммерчески доступным сверхпроводящим и полупроводниковым измерителям давления. Однако это не предел – чувствительность детектора можно повысить в «более чистых» приборах с низкой концентрацией остаточных примесей. Разработанная теория детектирования, проверенная экспериментально, показывает, что чувствительность «оптимального» детектора может быть в 100 раз выше.

«Текущие характеристики вселяют большие надежды на создание быстрых и чувствительных радиодетекторов», – говорит автор работы доктор Денис Бандурин. Эта область не ограничивается графеном и туннельными транзисторами. Мы предполагаем, что с таким же успехом можно было бы построить замечательный детектор, например, на основе электрически управляемого фазового перехода. Оказывается, графен здесь – просто хороший трамплин, просто дверь в целый мир новых интересных исследований. “

Результаты, представленные в этой статье, являются примером успешного сотрудничества между несколькими исследовательскими группами. Авторы отмечают, что именно такая форма работы позволяет им получать универсальные научные результаты. Например, ранее та же группа ученых объяснила, как волны в электронном море из графена могут способствовать развитию терагерцовой технологии. «В эпоху стремительного развития технологий становится все труднее достичь конкурентоспособных результатов». – Комментарий доктора Георгия Федорова, вице-президента Лаборатории углеродных наноматериалов МФТИ: «Только объединив усилия и экспертизу нескольких групп, мы сможем достичь самых сложных задач и достичь самых амбициозных целей, которые мы будем делать и дальше».

Ссылка: «Транзисторы с туннельным полевым эффектом для чувствительного обнаружения терагерцового диапазона» Авторы И. Гайдученко, С.Г. Сю, Г. Алымов, М. Москотин, И. Федоров, д-р Свенцов и Да Бандорин, 22 января 2021 г., Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-020-20721-z

Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 16-19-10557) и Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 18-29-20116 М.К.).