Графен-на-стекле позволяет получить легированный транзистор

№ 4’2016
PDF версия
Команда ученых из Университета штата Нью-Йорк разработала метод создания графеновых слоев на обычном стекле с добавкой, дающей преимущество легирования.

Графен представляет собой лист, сформированный из углерода толщиной в один слой атомов, обладающий высокой подвижностью электронов. На его основе ученые уже разработали пригодную для использования в промышленных масштабах и недорогую технологию для изготовления микроэлектронных и оптикоэлектронных приборов. Высокая проводимость и прозрачность графена делают его кандидатом для использования в качестве прозрачного токопроводящего электрода, который позволит заменить относительно хрупкий и дорогостоящий оксид индия и олова (ITO — indium tin oxide) в таких приложениях, как солнечные батареи, органические светодиоды (OLED), плоские дисплеи и сенсорные экраны.

Ученые изготовили графеновые устройства на подложках из натриево‑кальциево‑силикатного стекла — в настоящее время самого распространенного стекла, которое применяется для изготовления бутылок и окон, и обнаружили, что присутствие атомов натрия в стекле дало положительный эффект. Этот эффект оставался устойчивым в устройствах даже после того, как они подверглись внешнему воздействию на открытом воздухе на протяжении нескольких недель.

На рис. 1 представлены: микроснимок, полученный со сканирующего электронного микроскопа (он сверху) с белым масштабирующим прямоугольником размером 10 мкм, и снимок CIGS/графен-интерфейса (CIGS — селенид меди-индия-галлия), полученный на трансмиссионном электронном микроскопе, здесь белый масштабирующий прямоугольник имеет размер 100 нм [1].

Микроснимок, полученный со сканирующего электронного микроскопа (он сверху), и снимок CIGS/графен-интерфейса (CIGS — селенид меди-индия-галлия)

Рис. 1. Микроснимок, полученный со сканирующего электронного микроскопа (он сверху), и снимок CIGS/графен-интерфейса (CIGS — селенид меди-индия-галлия)

«Натрий в составе натриево‑кальциево‑силикатного стекла создает высокую плотность электронов в графене, которая имеет важное значение для многих процессов, и ее было очень сложно добиться», — сказал Нандитха Диссанаяке (Nanditha Dissanayake) из компании Voxtel, Inc., ранее работавший в Брукхейвенской национальной лаборатории, а также в журнале Scientific Reports.

Работа группы ученых первоначально была сосредоточена на оптимизации солнечного фотоэлемента, содержащего графен, который размещался на полупровод-нике из селенида меди-индия-галлия (CIGS). В свою очередь полупроводник был помещен на промышленной подложке из натриево‑кальциевого стекла. Затем, чтобы обеспечить основу для проверки эффектов последующего легирования, ученые провели предварительные испытания этой новой системы. Однако тесты показывали нечто уж совсем странное — графен уже оказался оптимально легированным без введения каких-либо дополнительных химических веществ.

На рис. 2 представлена схема графенового полевого транзистора, использованного в данном исследовании. Устройство состоит из ячейки солнечного элемента, содержащей графен, наложенный поверх полупроводника — селенида меди-индия-галлия (CIGS), который, в свою очередь, был размещен на промышленной подложке, выполненной из натриево‑кальциевого стекла (SLG) или из боросиликатного стекла (BSG) без содержания натрия [1].

Схема графенового полевого транзистора

Рис. 2. Схема графенового полевого транзистора

При испытаниях было установлено, что легирующей добавкой для графена стали атомы натрия. Этот эффект дал возможность сформировать жизненно важную для создания транзисторных устройств часть, в которой различие в электронно-дырочной плотности вносит вклад в их действие. Механизм локализации, благодаря которому натрий выступает в качестве легирующей примеси, стал предметом кропотливого исследования системы и ее производительности в самых различных условиях, в том числе при непосредственном изготовлении устройств и измерении влияния степени легирования на широком диапазоне подложек как с содержанием натрия, так и без него.

Сотрудничество в этом направлении было продолжено уже во главе с учеными департамента США по энергетике (DOE — Department of Energy) и Брукхейвенской национальной лаборатории, а также с Университетом штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук (SBU) и Колледжем Наноскейл Сайенс энд Инжиниринг из политехнического института SUNY.

Теперь ученые должны более глубоко исследовать основы этого нового механизма легирования и более тщательно изучить материалы на предмет их устойчивости в реальных условиях эксплуатации. Первые результаты, однако, предполагают, что стекло-графеновый метод оказался намного более устойчив к деградации, чем это наблюдается при использовании многих других методов легирования.

Литература
  1. Брукхейвенская национальная лаборатория США. bnl.gov

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *