Две независимые исследовательские группы сообщают о создании первых транзисторов, изготовленных полностью из двумерных электронных материалов, то есть самых тонких на настоящий момент устройств подобного рода. Прозрачные транзисторы, толщина которых составляет всего несколько атомов, могут стать основой для гибких и ярких экранов высокого разрешения, потребляющих небольшое количество энергии.

Транзисторы представляют собой устройства, которые переключают направление тока во многих электронных приборах и электронной бытовой техники. В плоских дисплеях телевизоров и мониторов тонкопленочные транзисторы, изготовленные из аморфного кремния, управляют цветом и степенью освещенности индивидуальных пикселей. В настоящее время все более пристальный интерес ученых прикован к еще более тонким полупроводниковым материалам для изготовления транзисторов, как, например дисульфид молибдена (MoS2) и диселенид вольфрама (WSe2), надеясь, что эти двумерные материалы по электронным свойствам превзойдут кремний. Особенностью MoS2 и WSe2 является большая ширина запрещенного слоя – энергетической щели между проводящим и непроводящим состоянием материала, поэтому предполагается, что для активации этих транзисторов будет тратиться меньше энергии, чем для транзисторов на основе кремния.

Уже сообщалось об изготовлении транзисторов с использованием этих двумерных полупроводников, однако для изготовления таких транзисторов применялись, в том числе, и обычные материалы.

Результаты новых исследованиях, одно из которых проведено в Национальной Аргоннской Лаборатории, а другое – в Университете Калифорнии (Беркли) показывают, как можно использовать только двумерные материалы для получения всех трех ключевых компонентов транзистора – полупроводниковая основа, набор электродов, а также изолирующий слой, который должен разделять компоненты транзистора на некоторых участках. Такие двумерные транзисторы, как предполагается, будут обладать толщиной атома, что существенно уменьшит их размеры по сравнению с кремниевыми аналогами, а также позволит организовать большую плотность пикселей в дисплеях нового поколения.

Саптарси Дас (Saptarshi Das) и Анирудха Сумант (Anirudha V. Sumant) из Аргонны получили свои гибкие прозрачные транзисторы, использовав для электрода графен, WSe2 для полупроводящего канала и гексагональный нитрид бора в качестве изолятора [1]. Исследователи получили свои транзисторы на подложке из полимера, применив стандартный протокол послойного нанесения материала с последующим применением литографии и травления для создания схем определенной формы.

В полученных транзисторах скорость потока электронов в 100 раз больше, чем в аналогах из аморфного кремния. Такая высокая подвижность электронов означает, что новые транзисторы будут переключаться быстрее, что, в свою очередь может привести к более скоростному обновлению изображения на дисплее, а это необходимо для устройств для проигрывания изображений высокой четкости – в особенности трехмерного изображения.

Исследователи из Беркли, работавшие под руководством Али Джави (Ali Javey), получили очень похожие транзисторы за тем исключением, что в роли полупроводникового слоя в них используется MoS2 [2]. Подвижность электронов в этих устройствах в 70 раз выше, чем подвижность электронов в кремниевых транзисторах.

Обе группы заявляют, что и у MoS2, и у WSe2 есть свои преимущества, обуславливающие их применение в устройствах такого типа. Так, диселенид вольфрама может проявлять как дырочную, так и электронную проводимость, в то время как дисульфид молибдена способен только на электронную проводимость. Электронная и дырочная проводимость важна для получения транзисторов n- и p-типа, которые могут применяться в цифровых логических схемах.

Преимуществом дисульфида молибдена является то, что во включенном состоянии транзисторы, в которых используется MoS2, могут пропускать больший по силе ток, что может привести к большей яркости пикселей при меньших затратах энергии. Очевидно, что поскольку сообщается о первых примерах двумерных транзисторов, поиск подходящих для их изготовления двумерных материалов будет продолжаться, и, возможно, будут получены еще более эффективные двумерные транзисторы.

Тем не менее, как отмечает Виталий Подрозов (Vitaly Podzorov), из Университета Ратджерса, препятствием на пути к созданию полноценных электронных устройств на основе таких транзисторов является отсутствие надежных методов получения однородных пленок MoS2 и WSe2 с большой площадью – в обоих исследованиях пленки MoS2 и WSe2 были получены «методом Гейма и Новоселова» (отшелушиванием двумерного слоя от кристаллического материала с помощью клейкой ленты), однако, по словам Подрозова, обе работы являются демонстрацией потенциальных способностей двумерных транзисторов.