От переводчика: Углеродная наноэлектроника, она, мягко говоря, везде. За последние десять-пятнадцать (?) лет коллектив из IBM Watson Research Center ведомый Фаэдоном Авурисом (Phaedon Avouris) чего и где только не изобрел и, соответственно, не напечатал. Википедия знакомит нас с основными вехами в развитии Авуриса - университет в Салониках, PhD (физхимия) в Michigan State University, постдок в UCLA и Bell Labs, сотрудник IBM c 1974 года, а в настоящий момент менеджер нанонауки и нанотехнологии там же. Вашему вниманию предлагается перевод беседы доктора Авуриса с Полом Вейссом, главным редактором журнала ACS Nano, где данный материал и был впервые опубликован на английском языке. Перевод в двух частях. Часть первая.
Пол Вейсс: В чем ты находил поддержку и вдохновение для исследований на протяжении карьеры?
Фаэдон Авурис: Думаю, что человеком, оказавшим самое большое влияние на меня был молодой профессор Николай Александру, который, в свое время, только вернулся из университета штата Иллинойс. Он был химик-органик, и он принес с собой новые идеи в области химии - представления о реакционной способности с точки зрения перемещения электронов к реакционным центрам, правила Вудворда-Хоффмана, и так далее. Он научил меня думать о химии с точки зрения концепции антропного принципа, максимума энтропии, и так далее. Все это помогло мне лучше понимать материалы, их химические и физические свойства. Мне удалось общаться с этим человеком только в течении очень короткого времени, но это общение повлияло на то как я думаю о материалах. Моя подготовка как химика оказалась очень полезной, несмотря на то, что люди воспринимают меня как физика и инженера. Я все еще мыслю как химик. Это влечет за собой способности к интуиции, которых люди, прошедшие подготовку в качестве физиков или инженеров, не имеют. Зачастую, последние должны сначала сделать модель или расчеты, чтобы предсказать что-то, в то время как для нас очевидно, что произойдет.
В Штатах, конечно, все было по-другому. Я работал во многих областях - занимался спектроскопией с Мостафа Эль-Сайедом [1-5], затем переехал в IBM и изучал химию поверхностей, сначала в сотрудничестве с Джо Демутом [6-15], а потом и самостоятельно - нанотрубки и СТМ тогда были на коне. Как вы знаете, я провел много, много лет работая над всем этим. Туда же графен и другие углеродные материалы, эксперименты и теория. Это была хорошая жизнь!
ПВ: Что повлияло на твое решение заняться углеродной наноэлектроникой?
ФА: Ну, я просто читал первые работы о нанотрубках и размышлял о межмолекулярных взаимодействия в тоже время. Как-то я беседовал с Риком Смолли, который мне рассказывал, что нанотрубки прекрасны - очень прочные и жесткие, а также бездефектные. Каким-то образом это не соотносилось с моими представлениями о том, как эти нанотрубки должны себя вести. На самом деле, мои первые работы в этой области были на атомно-силовом микроскопе - тогда я заметил, что нанотрубки деформировались находясь на подложке [16-18]. У меня были картинки нанотрубок лежащих друг на друге, которые даже появились на обложке "Journal of Physical Chemistry" [16]. Верхняя трубка там огибала нижнюю и, на мой вкус, они больше походили на спагетти, чем на что-то идеальное и жесткое. Так я начал изучать их более подробно. (В то время я как раз закончил мои исследования с атомной манипуляцией на поверхности кремния [19, 20]). Я обратил внимание на то, как трубки реагируют на всякие воздействия и увидел, что их можно складывать и перетаскивать (Рисунок 1). Теперь я уже мог позиционировать их (снова походивших на спагетти). Это меня заинтриговало.
Я понял одну вещь: физическая химия сосредоточена на молекулярных системах. То есть на структуре молекул, их спектроскопии во всевозможных диапазонах длин волн, реакционной способности, магнетизме (если он есть). Изучение их электрических свойств было единственным, что еще не было сделано. В тоже время это отличалось от физики конденсированных сред. В первую очередь потому, что что никто не знал как найти подход к отдельно взятой молекуле. Меня заинтересовало, как это так - мы столько знаем о молекулярном мире, но... ничего не знаем о его электрических свойствах. Будучи студентом, я читал в каком-то научном или научно-популярном журнале про интеркаляцию йода в крахмал и про то как от этого материал становится проводящим. Я бы сказал так: "знаете, есть что-то такое в элетричестве в чем химикам необходимо принять участие. Как насчет молекул и электричества?". Так я заинтересовался электрическими измерениями молекул и уже тут нанотрубки оказались идеальной системой. Вскоре после того как я этим занялся, Сиис Деккер уже работал с трубками от Смолли [21, 22], ну и мы делали то же самое [23-26].
В то время мы оба дошли до первого транзистора на нанотрубках, что и вовлекло меня в изучение их электрических свойств. Я также работал с молекулами, но там нас больше интересовали концептуальные аспекты, то есть в чем же основные отличия молекулярных систем. С теми методами, что были в моем распоряжении, продвигать это было не легко. Собственно так и начались нанотрубки... сначала механические свойства, жесткость, потом уже изучение индивидуальных трубок [27, 28]. В IBM мы спрашивали себя, что мы можем с ними сделать? Полезны ли они? Ну, мы сделали первые транзисторы, потом реализовали простые логические схемы [29, 30]. В какой-то момент пригодился мой опыт в спектроскопии. Меня всегда интересовал безыизлучательный распад, так что я обратил внимание на их эмиссионные свойства [31-34]. Так начались исследования электролюминесценции в нанотрубках и встали вопросы о том, откуда в них берется свет. Дальше больше.
ПВ: В чем ты видишь будущее и потенциальные преимущества углеродной наноэлектроники?
ФА: Здесь два аспекта. Никогда не существует прямой корреляции между тем, что ты обнаружишь сейчас и тем, какие возможные применения появятся в будущем. Сейчас у нас есть определенное понимание того, что такое электроника и оптика, но это не означает, что в будущем будут только полевые транзисторы и световые диоды. Основу для инноваций будущего создает то знание которое мы добываем. Думаю, нанотрубки явились основой для понимания тех многих возможностей что доступны в нано- и молекулярном мире. Не уверен, что технология будет полностью зависеть только от всего этого. Сейчас технология включает в себя как технические так и финансовые факторы.
В любом случае, по сравнению с любым другим материалом, нанотрубки могут обладать уникальными свойствами на малых масштабах. Но достаточно ли этого? Нет. Их дальнейший успех зависит от того, насколько они технологичны, дешевы, конкурентноспособны на рынке и может ли конечный результат оправдать расходы на новые производства. Эти вопросы уже за пределами забот ученых. Основной вклад наших исследований состоит не в самих технологиях, а в понимание природы, что само по себе является основой технологий будущего. Последние могут появиться как и из того над чем мы работаем прямо сейчас, так и из использования накопленных нами знаний.
Изготовить определенные нанотрубки и четко обозначенные структуры - есть пути как без этого обойтись, хотя бы временно. Если вы хотите заменить кремний, тогда вам необходимы строго определенные трубки с одинаковой шириной запрещенной зоны, чтобы их можно было одновременно переключать. Но если вы у вас другие цели, например, вы хотите легкие и гибкие устройства, или чтоб светило (и в этом всем есть большая потребность), тогда вы можете избежать мороки с синтезом изготовив массив, который эффективно усреднит поведение нанотрубок. Если вам удастся получить однородную смесь, то вы достигнете хорошей производительности. Не чета кремнию, но и цели заменить его не было, для других применений. Например, военные хотят электроники которую солдаты смогли бы одевать, то есть легкой и гибкой. Это большой рынок, который еще будет расти и требовать разной электроники, молекулярной ли, на нанотрубках, какой угодно.
Углеродная электроника, как и сам углерод в общем, распространяется повсеместно. Опять же, не обязательно как замена кремнию и не из-за закона Мура. Просто существует множество применений, тут я думаю, со мной согласятся многие эксперты. Я только что приехал с DRC (Device Research Conference) и там был пленарный доклада о будущем электроники, и докладчик (Dr. Kensall D. Wise, Center for Wireless Integrated MicroSystems, University of Michigan) настаивал, что будущее не в компьютерах, а в биоприменениях [35]. В частности, во всех видах устройств для слуха, зрения, болезни Паркинсона, то есть те которые наделяют способностью. Он здорово это преподнес - применения для качества жизни. Это не самые быстрые в мире компьютеры, но это то, что может использоваться людьми и приносить пользу.
Думаю, чтобы выйти за пределы того, что мы имеем сегодня, необходимо заниматься фундаментальной наукой. Необходимо понимать. Исследования в такой среде как IBM устроенны именно так. Мы постоянно равняемся на суперсовременную и точную технологию, мы углубляемся в детали и пытаемся достичь контроля и четко определенных свойств. Условия могут быть и полегче, если технологии не нужна такая точность, но совсем неплохо знать, что именно за что отвечает. Это потом вы уже решите, нужен ли вам такой уровень контроля или нет.
ПВ: Можешь рассказать нам про высокоскоростные графеновые транзисторы?
ФА: Графен это один из самых интригующих материалов; мы знали это уже очень давно. Мы всегда использовали его как модель, для обсуждения ряда свойств [36]. Вы найдете его во всех книжках по органической химии, просто он там не назван графеном. Думаю, графен был принят в качестве названия ИЮПАК в 1995 году, но у нас его как материала тогда еще не было. Он также использовался в обсуждениях нанотрубок и так далее. Ученые работающие с поверхностями знали о нем, но он скорее мешал. Вы греете кристал своего никеля или платины и графен образуется на поверхности, так что его приходилось потом удалять. А сейчас люди точно таким же образом пытаются его получать! [37, 38]
Как только мы стали изучать графен, мы поняли, что он уникален. Физики подчеркивают тот факт, что он ведет себя как релятивистская электронная система. Я пытаюсь провести какие-то параллели. Это все очень просто, но как правило, осложнено аргументами типа того, что эта особенность связана с сохранением псевдоспина, что электроны не подвергаются обратному рассеянию. Химикам это понять легко - есть π и π* состояния, которые ортогональны, и потому не взаимодействуют. Дисперсия линейна, опять таки именно потому что состояния ортогональны, так что нет избегаемого пересечения. Чтобы демистифицировать эти идеи я выразил свой взгляд на страницах Nano Letters [39].
В результате в вашем распоряжении особые свойства графена, которые происходят от структуры, а также свойства которые появились из-за сильных ковалентных связей. Итогом этих двух вкладов являются очень высокая жесткость, частота оптического фонона 1600 см-1. Для кремния или GaAs эта частота составляет 500 и 300 см-1 соответственно. Первое следствие - электроны не рассеиваются оптическими фононами. Второе - электроны имеют нулевую массу покоя и очень высокое ускорение Ферми. Добавьте к этому симметричную зонную структуру и вот вам выдающиеся транспортные характеристики.
Если вы надеетесь получить сверхбыстрый электрический транспорта, то это материал для вас [39-41]. Как правило, длина свободного пробега электронов составляет несколько сотен нанометров. Все эти годы, люди пытались достичь баллистического режима в кремнии, но этого не произошло. В графене это реально.
Даже при относительно скромной подвижности, мы получили 100 ГГц при размере элемента в 250 нм [40]. С кремением сейчас можно дойти до элемента размером в 22 нм. Но, при 250 нм, на кремнии можно получить только до 40 ГГц. Если начать масштабирование, то, надеюсь, с графеном можно пойти еще выше. Это еще не значит, что это все просто. Возникает множество вопросов. Одним из них является проблема контактов. Мы должны выяснить, почему сейчас у нас есть контакты, которые могут доходить до 200 Ω-микрометра. В литературе встречаешь килоΩ. Мы пытаемся в этом разобраться и уменьшить сопротивление. Думаем, что знаем как это сделать. Есть и другие проблемы, нагрузка и так далее. В принципе, в конце концов вы будете ограничены по RC, но я думаю, терагерц по частоте достижим.
Другим преимуществом графена является то, что нам не нужна молекулярно лучевая эпитаксия и дорогие реактивы - графен это же углерод! За счет этого мы можем позволить себе использовать дорогие подложки, чтобы растить графен, например карбид кремния [42], но в будущем так быть не должно. Существует множество путей получения графена. Графен это стабильная форма углерода и, в конечном счете, почти все превращается в графен. Проблема в нахождении оптимальных условий для контроля роста, устранения дефектов, и так далее.
Графену не обязательно быть монослоем. Еще одна деталь - его физические свойства меняются при переходе от одного слоя к двум и далее к трем [43]. С точки зрения устройств, свойства двух- и даже трехслойного графена достаточно хороши для определенных применений.
Чего у графена нет, так это запрещенной зоны. Но опять же, нам удалось их открыть. Мы добрались до 150 мэВ. Этого не достаточно для цифровых устройств, но сгодится для множества вещей, например, в фотонике. И мы знаем как этого добиться, потому что причина отсуствия запрещенной зоны у графена в том, что в элементарной ячейке только два атома которые ведут себя одинаково и обладают одним и тем же потенциалом. Но если у вас два слоя, то атомов в ячейке уже четыре, и есть разные слои. Если их поляризовать, вынудить перенос заряда между двумя слоями, тогда становится возможным раскрыть запрещенную зону (Рисунок 2), что мы, собственно, и сделали [44].
Еще есть трудности с нахождением правильного диэлектрика. В этих устройствах самой трудной проблемой является именно диэлектрик. Графен и нанотрубки имеют π системы, которые полностью обнажены. Если вы замуруете их в диэлектрик, то будет взаимодействие. Во-первых, не так просто этот диэлектрик нанести, он не клеится, так что однородных слоев не получить. И во-вторых, если он клеится, то взаимодействует с π системой и перестает работать. То есть вы оказываетесь в щекотливой ситуации - нанести диэлектрика не много, но достаточно. Это очень тонкая технология. Для ее реализации мы используем осаждение атомных слоев (ALD, atomic layer deposition) и предварительные обработки, чтобы ввести слои которые загрунтуют поверхность, но не будут мешать. Весь этот процесс должен быть еще отработан [46].
В IBM, при поддержке от DARPA, мы разрабатываем высокочастотную электронику, что может быть также направлено на решения множества других задач. Уже существует спрос на прозрачные и проводящие окна, заменители для сенсорных экранов - те приложения которые не накладывают серьезных ограничений. Другими словами, не требуют всей той точности над который мы работаем. Думаю, вы увидите развитие приложений и рынков. Уже есть несколько компаний которые, кажется, очень серьезно настроены на выпуск продуктов в ближайшем будущем.
Конец первой части. Продолжение следует.
Ссылки:
1. Avouris, Ph.; Campion, A.; El-Sayed, M. A. Variations in Homogeneous Fluorescence Linewidth and Electron-Phonon Coupling within an Inhomogeneous Spectral Profile J. Chem. Phys. 1977, 67, 3397– 3398;
2. Avouris, Ph.; Hopewell, W. D.; El-Sayed, M. A. Energy-Dependence of Nonradiative Electronic Relaxation in Camphorquinone Vapor J. Chem. Phys. 1977, 66, 1376– 1377;
3. Avouris, Ph.; Gelbart, W. M.; El-Sayed, M. A. Nonradiative Electronic Relaxation under Collision-free Conditions Chem. Rev. 1977, 77, 793– 833;
4. Avouris, Ph.; Campion, A.; El-Sayed, M. A. Luminescence and Intersystem Crossing Processes in Camphor−Quinone Crystals Chem. Phys. 1977, 19, 147– 154;
5. Avouris, Ph.; Campion, A.; El-Sayed, M. A. Phonon Assisted Site-to-Site Electronic Energy Transfer between Eu3+ Ions in an Amorphous Solid Chem. Phys. Lett. 1977, 50, 9– 13;
6. Demuth, J. E.; Schmeisser, D.; Avouris, Ph Resonance Scattering of Electrons from N2, CO, O2, and H2 Adsorbed on a Silver Surface Phys. Rev. Lett. 1981, 47, 1166– 1169;
7. Demuth, J. E.; Avouris, Ph. Lifetime Broadening of Excited Pyrazine Adsorbed on Ag(111) Phys. Rev. Lett. 1981, 61– 63;
8. Avouris, Ph.; Demuth, J. E. Vibrational Overtone Spectroscopy of Benzene and Pyridine on Ag(111) J. Chem. Phys. 1981, 75, 5953– 5954;
9. Schmeisser, D.; Demuth, J. E.; Avouris, Ph. Electron-Energy-Loss Studies of Physisorbed O2 and N2 on Ag and Cu Surfaces Phys. Rev. B 1982, 26, 4857– 4863;
10. Avouris, Ph.; Schmeisser, D.; Demuth, J. E. Observation of Rotational Excitations of H2 Adsorbed on Ag Surfaces Phys. Rev. Lett. 1982, 48, 199– 202;
11. Schmeisser, D.; Demuth, J. E.; Avouris, Ph. Metal-Molecule Charge-Transfer Excitations on Silver Films Chem. Phys. Lett. 1982, 87, 324– 326;
12. Demuth, J. E.; Avouris, Ph. Surface Spectroscopy Phys. Today 1983, 36, 62– 68;
13. Avouris, Ph.; Demuth, J. E.; Dinardo, N. J. Excited-States of Physisorbed and Chemisorbed Adsorbates and Their Decay Mechanisms J. Vac. Sci. Technol. A 1984, 2, 1050– 1051;
14. Avouris, Ph.; Demuth, J. E. Electron-Energy Loss Spectroscopy in the Study of Surfaces Annu. Rev. Phys. Chem. 1984, 35, 49– 73;
15. Avouris, Ph.; Demuth, J. E. Valence and Core Excitations of Adsorbates on Metal-Surfaces Surf. Sci. 1985, 187, 21– 39;
16. Hertel, T.; Martel, R.; Avouris, Ph. Manipulation of Individual Carbon Nanotubes and Their Interaction with Surfaces J. Phys. Chem. B 1998, 102, 910– 915;
17. Hertel, T.; Walkup, R. E.; Avouris, Ph. Deformation of Carbon Nanotubes by Surface van der Waals Forces Phys. Rev. B 1998, 58, 13870– 13873;
18. Avouris, Ph.; Hertel, T.; Martel, R.; Schmidt, T.; Shea, H. R.; Walkup, R. E. Carbon Nanotubes: Nanomechanics, Manipulation, and Electronic Devices Appl. Surf. Sci. 1999, 141, 201– 209;
19. Lyo, I. W.; Avouris, Ph. Field-Induced Nanometer-Scale to Atomic-Scale Manipulation of Silicon Surfaces with the STM Science 1991, 253, 173– 176;
20. Avouris, Ph.; Hertel, T.; Martel, R. Atomic Force Microscope Tip-Induced Local Oxidation of Silicon: Kinetics, Mechanism, and Nanofabrication Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 285– 287;
21. Tans, S. J.; Devoret, M. H.; Dai, H. J.; Thess, A.; Smalley, R. E.; Geerligs, L. J.; Dekker, C. Individual Single-Wall Carbon Nanotubes and Quantum Wires Nature 1997, 386, 474– 477;
22. Tans, S. J.; Verschueren, A. R. M.; Dekker, C. Room-Temperature Transistor Based on a Single Carbon Nanotube Nature 1998, 393, 49– 52;
23. Martel, R.; Schmidt, T.; Shea, H. R.; Hertel, T.; Avouris, Ph. Single- and Multiwall Carbon Nanotube Field-Effect Transistors Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2447– 2449;
24. Collins, P. G.; Avouris, Ph. Nanotubes for Electronics Sci. Am. 2000, 283, 62– 69;
25. Avouris, Ph. Molecular Electronics with Carbon Nanotubes Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1026– 1034;
26. Avouris, Ph.; Martel, R. Progress in Carbon Nanotube Electronics and Photonics MRS Bull. 2010, 35, 306– 313;
27. Rochefort, A.; Avouris, Ph.; Lesage, F.; Salahub, D. R. Electrical and Mechanical Properties of Distorted Carbon Nanotubes Phys. Rev. B 1999, 60, 13824– 13830;
28. Freitag, M.; Martin, Y.; Misewich, J. A.; Martel, R.; Avouris, Ph. Photoconductivity of Single Carbon Nanotubes Nano Lett. 2003, 3, 1067– 1071;
29. Derycke, V.; Martel, R.; Appenzeller, J.; Avouris, Ph. Carbon Nanotube Inter- and Intramolecular Logic Gates Nano Lett. 2001, 1, 453– 456;
30. Chen, Z. H.; Appenzeller, J.; Lin, Y. M.; Sippel-Oakley, J.; Rinzler, A. G.; Tang, J. Y.; Wind, S. J.; Solomon, P. M.; Avouris, Ph. An Integrated Logic Circuit Assembled on a Single Carbon Nanotube Science 2006, 311, 1735;
31. Misewich, J. A.; Martel, R.; Avouris, Ph.; Tsang, J. C.; Heinze, S.; Tersoff, J. Electrically Induced Optical Emission from a Carbon Nanotube FET Science 2003, 300, 783– 786;
32. Freitag, M.; Perebeinos, V.; Chen, J.; Stein, A.; Tsang, J. C.; Misewich, J. A.; Martel, R.;
Avouris, Ph. Hot Carrier Electroluminescence from a Single Carbon Nanotube Nano Lett. 2004, 4, 1063– 1066;
33. Perebeinos, V.; Tersoff, J.; Avouris, Ph. Radiative Lifetime of Excitons in Carbon Nanotubes Nano Lett. 2005, 5, 2495– 2499;
34. Freitag, M.; Steiner, M.; Naumov, A.; Small, J. P.; Bol, A. A.; Perebeinos, V.; Avouris, Ph. Carbon Nanotube Photo- and Electroluminescence in Longitudinal Electric Fields ACS Nano 2009, 3, 3744– 3748;
35. Wise, K. D. Microelectronics in the “More than Moore” Era. Plenary Presentation at the Device Research Conference, South Bend, IN, June 21−23, 2010.
36. Dresselhaus, M. S.; Arajo, P. T. Perspectives on the 2010 Nobel Prize in Physics for Graphene
ACS Nano 2010, 4, 6297– 6302;
37. Land, T. A.; Michely, T.; Behm, R. J.; Hemminger, J. C.; Comsa, G. STM Investigation of Single Layer Graphite Structures Produced on Pt(111) by Hydrocarbon Decomposition Surf. Sci. 1992, 264, 261– 270;
38. Sutter, P. W.; Flege, J.-I.; Sutter, E. A. Epitaxial Graphene on Ruthenium Nat. Mater. 2008, 7, 406– 411;
39. Avouris, Ph. Graphene: Electronic and Photonic Properties and Devices Nano Lett. 2010, 10, 4285– 4294;
40. Lin, Y.-M.; Dimitrakopoulos, C.; Jenkins, K. A.; Farmer, D. B.; Chiu, H.-Y.; Grill, A. Avouris, Ph. 100-GHz Transistors from Wafer-Scale Epitaxial Graphene Science 2010, 327, 662;
41. Perebeinos, V.; Avouris, Ph. Inelastic Scattering and Current Saturation in Graphene Phys. Rev. B 2010, 81, 195442;
42. Berger, C; Song, Z. M.; Li, T. B.; Li, X. B.; Ogbazghi, A. Y.; Feng, R.; Dai, Z. T.; Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P. N. ; et al. Ultrathin Epitaxial Graphite: 2D Electron Gas Properties and a Route toward Graphene-Based Nanoelectronics J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19912– 19916;
43. Zhu, W. J.; Perebeinos, V.; Freitag, M.; Avouris, Ph. Carrier Scattering, Mobilities, and Electrostatic Potential in Monolayer, Bilayer, and Trilayer Graphene Phys. Rev. B 2009, 80, 235402;
44. Zhu, W. J.; Neumayer, D.; Perebeinos, V.; Avouris, Ph. Silicon Nitride Gate Dielectrics and Band Gap Engineering in Graphene Layers Nano Lett. 2010, 10, 3572– 3576;
45. Xia, F.; Farmer, D.; Lin, Y.-M.; Avouris, Ph. Graphene Field-Effect-Transistors with High On/Off Current Ratio Nano Lett. 2010, 10, 715– 718;
46. Farmer, D. B.; Chiu, H. Y.; Lin, Y. M.; Jenkins, K. A.; Xia, F. N.; Avouris, Ph. Utilization of a Buffered Dielectric to Achieve High Field-Effect Carrier Mobility in Graphene Transistors Nano Lett. 2009, 9, 4474– 4478;
ПереводДмитрий Баранов
