Свинцов Дмитрий Александрович, ФТИАН РАН

Свинцов Дмитрий Александрович,
ФТИАН РАН
План
 Графен для цифровой и аналоговой
наноэлектроники
 Графен для оптоэлектроники
Полевой транзистор – прибор с
варьируемым сопротивлением
Простая арифметика
Быстродействие транзисторов
μC VG2 μC VD2
jsat VG  VD  

L 2
L 2
μC
djsat 
VG dVG
L
djgate  iωCLdVG
hω 
djsat μCVD μE udr / L
1




djgate ωCL2 ωL
ω
ωτtof
Графен – ускоритель на кончике
карандаша
Константин Новоселов (ФФКЭ МФТИ)
Андрей Гейм (ФОПФ МФТИ)
Нобелевская премия по физике 2011
Графен – отдельная атомная
плоскость графита
Электронные свойства графена
 2 k 
= 3  2 cos
 02


3k y a  4 cos


3k y a / 2 cos  3k x a / 2 
  p    p vF ,
vF  106 m/s
Электронные свойства графена
 Бесщелевой
полупроводник;
 Линейный закон
дисперсии
 0
ˆ
H  vF 
 pˆ x  ipˆ y
pˆ x  ipˆ y 

0 
ε  p  =  p vF
 Отсутствие обратного
рассеяния
p | V  r  r   | p 
2
1  cos θ 

2
Vq
pp
Электронные свойства графена
2
Wee 
 f |Vint | i
vF
2
  p  p1  p  q  p1  q 
Сильное рассеяние
между частицами с
сонаправленными
импульсами:
особенность
линейного спектра!
L. Fritz, J. Schmalian, M. Muller, and S. Sachdev, Phys. Rev. B 78, 085416 (2008).
Электронные свойства графена
 Квантование Ландау
EN  vF e BN
 Следствие Дираковского
спектра
 Уровень N=1 имеет
K. S. Novoselov et. al., Science 9 (2007)
энергию E1=2800 K при
B=45 T.
Контроль плотности носителей заряда
VG  0
VG  0
Электронные свойства графена
Подвижность до
100 000 см2/В с при Т=300 К
Особенности характеристик полевых
транзисторов на основе графена
H. Wang, A. Hsu, J. Kong, D. A. Antoniadis, T. Palacios «Impact of DrainInduced-Minimum-Shift Effect on the Current
Saturation in Graphene Transistors», JAP, 2012
Туннельные транзисторы на основе графена
-ON-OFF ratio up to 104
BUT:
-Weak effect of gate voltage on current;
-No current saturation;
-High capacitances  low fT;
L. Britnell et al ,Science vol. 335 p. 947 (2012)
L. Britnell et. al., Nature Communications vol. 4 art. no. 1794 (2013)
Латеральный туннельный транзистор на
основе графена
Структура предлагаемого транзистора
Зонная диаграмма транзистора в открытом состоянии
D. Svintsov et. al., Semiconductors vol. 47, p. 279-284 (2013)
D. Svintsov et. al., J. Phys. D: Appl. Phys. Special issue “Graphene devices” (2014)
Рассчитанные характеристики, демонстрирующие
насыщение тока и высокое (>104) отношение
токов открытого и закрытого состояний
Транзисторы на основе двухслойного
графена
γ12 Δ2
ε  p 
  p 2 vF2 
2
4
2
γ14
 p 2 vF2  γ12  Δ2 
4
D. Svintsov, V. Vyurkov, V. Ryzhii, T. Otsuji "Effect of "Mexican Hat"
on Graphene Bilayer Field-Effect Transistor Characteristics", Japanese
Journal of Applied Physics, Vol. 50, Iss. 7, p. 070112 (2011)
План
 Графен для цифровой и аналоговой
наноэлектроники
 Графен для оптоэлектроники
Источник излучения различных
частот
Усиление ТГЦ-излучения:
эксперимент
S. Boubanga-Tombet, S. Chan, T. Watanabe,
A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji, Phys. Rev. B
85, 035443 (2012).
Борьба усиления и поглощения
Создание квантовой теории оптического поглощения в графене
с неравновесными носителями;
Расчет рекомбинационных процессов, обусловленных
взаимодействием квазичастиц.
Борьба усиления и поглощения
 xx 
ie

2
2
   
 ,


 
d 2 pvx2 f  pk /2  f  p +k /2
pk /2
  p +k /2     i 
1

Drude term
(Boltzmann, intraband)
ie 2
2
2
 fe fh  d 2 pvx2
        i 1

  p +k / 2   pk /2 
2ie 
2
2


d 2 p v12 x

 p +k /2   pk /2 
2
 f    f   
pk /2
   i 
1
p +k /2

2
Interband absorption term
e2    

 f 

4   2 
L.A. Falkovsky and A.A. Varlamov, Eur. Phys. J. B 56, 281-284 (2007);
  
f

2


  p +k /2   pk / 2 
2

Спасибо за внимание!

1.
Вопорсы:
Энергетический спектр носителей заряда в графене и некоторые связанные с ним явления:
отсутствие обратного рассеяния, Клейновское туннелирование, квантовый эффект Холла в
графене.
2.
Полевые транзисторы на основе графена: анализ быстродействия, проблемы использования
в цифровой электронике. Туннельные транзисторы на основе графена.
3.
Применения графена в оптоэлектронике: оптические модуляторы, детекторы терагерцового
излучения. Предлагаемые конструкции лазеров терагерцового диапазона на основе
графена.
Литература (достаточно прочитать abstract, оглавление и введение-заключение)
1. A. K. Geim and K. S. Novoselov "The rise of graphene" Nature Materials 6 (2007) doi
:10.1038/nmat1849
2. D. Reddy, L. F. Register, G. D. Carpenter and S. K. Banerjee "Graphene field-effect transistors"
Journal of Physics D: Applied Physics 44 (2011) doi:10.1088/0022-3727/44/31/313001
3. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A.C. Ferrari, ”Graphene photonics and optoelectronics,” Nature
Photonics 4,
611 (2010) doi:10.1038/nphoton.2010.186.
4. A. Tredicucci and M. S. Vitiello, ”Device concepts for graphene-based terahertz photonics,” IEEE
Journal of Selected Topics
Quantum Electronics 20, 8500109 (2014) doi: 10.1109/JSTQE.2013.2271692