Двумерные полупроводники: процесс пошел

Откры­тый четы­ре года назад гра­фен – пер­вый истин­но дву­мер­ный кри­сталл, состо­я­щий из одно­го слоя угле­род­ных ато­мов, – ока­зал­ся все­го лишь пер­вой ласточ­кой из цело­го мира дву­мер­ных объ­ек­тов. В недав­но опуб­ли­ко­ван­ной в жур­на­ле Science ста­тье [1] про­де­мон­стри­ро­ва­на воз­мож­ность созда­вать новые хими­че­ские соеди­не­ния на базе гра­фе­на. Изме­ре­ния элек­трон­ных и реше­точ­ных свойств под­твер­жда­ют, что под воз­дей­стви­ем водо­род­ной плаз­мы гра­фен пре­вра­ща­ет­ся в гра­фан – ранее пред­ска­зан­ное тео­ре­ти­че­ски соеди­не­ние, в кото­ром к каж­до­му ато­му угле­ро­да при­со­еди­нен атом водо­ро­да (см. рису­нок). При этом подвиж­ные пи-элек­тро­ны, обес­пе­чи­ва­ю­щие про­во­ди­мость в гра­фене, свя­зы­ва­ют­ся с водо­ро­дом, так что гра­фан ока­зы­ва­ет­ся обыч­ным полу­про­вод­ни­ком с доста­точ­но широ­кой энер­ге­ти­че­ской щелью.

Зачем это нуж­но? Взрыв инте­ре­са к гра­фе­ну свя­зан преж­де все­го с его дву­мер­но­стью. Совре­мен­ная мик­ро­элек­тро­ни­ка, по сути, исполь­зу­ет лишь поверх­ность полу­про­вод­ни­ко­вых мате­ри­а­лов, а объ­ем, гру­бо гово­ря, – это ненуж­ный (но, как дума­лось) неиз­беж­ный бал­ласт, огра­ни­чи­ва­ю­щий воз­мож­ность даль­ней­шей мини­а­тю­ри­за­ции. Гра­фен пред­став­ля­ет из себя одну сплош­ную поверх­ность без объ­е­ма, что поз­во­ля­ет, тео­ре­ти­че­ски, напи­хать в тот же объ­ем куда боль­шее коли­че­ство тран­зи­сто­ров. Здесь, одна­ко, есть одно «но». Спе­ци­фи­че­ский бес­ще­ле­вой «кираль­ный» харак­тер элек­трон­но­го спек­тра в гра­фене, кото­рый так раду­ет тео­ре­ти­ков (он открыл воз­мож­ность изу­чать в срав­ни­тель­но про­стых экс­пе­ри­мен­тах мно­гие тон­кие эффек­ты реля­ти­вист­ской кван­то­вой меха­ни­ки, труд­но­до­сти­жи­мые в физи­ке высо­ких энер­гий или в ядер­ной физи­ке), весь­ма вре­ден для при­ло­же­ний. Так назы­ва­е­мое «клей­нов­ское тун­не­ли­ро­ва­ние» в гра­фене, пред­ска­зан­ное нами два года назад и совсем недав­но обна­ру­жен­ное дву­мя груп­па­ми экс­пе­ри­мен­та­то­ров, не дает «запе­реть» гра­фе­но­вый тран­зи­стор – он ока­зы­ва­ет­ся все­гда откры­тым. Нуж­на щель в элек­трон­ном спек­тре. Ее мож­но создать, исполь­зуя, напри­мер, раз­мер­ное кван­то­ва­ние в гра­фе­но­вых кван­то­вых точ­ках. Имен­но так рабо­та­ет «самый малень­кий в мире» одно­элек­трон­ный гра­фе­но­вый тран­зи­стор, о кото­ром мы сооб­щи­ли, тоже в Science, год назад (см. ТрВ № 2 за 2008 г., стр. 11). Но такой тип тран­зи­сто­ра мало­при­го­ден для постро­е­ния боль­ших инте­граль­ных схем. Поэто­му воз­мож­ность полу­чать на базе гра­фе­на «обыч­ные» щеле­вые полу­про­вод­ни­ки, про­де­мон­стри­ро­ван­ная в нашей рабо­те, крайне важ­на. Конеч­но, это лишь нача­ло – суще­ствен­но еще, что­бы новые мате­ри­а­лы име­ли под­хо­дя­щую шири­ну энер­ге­ти­че­ской щели (в гра­фане она, похо­же, вели­ко­ва­та) и доста­точ­но высо­кую элек­трон­ную подвиж­ность, но, как гово­рил один извест­ный чело­век, по дру­го­му, впро­чем, пово­ду, «про­цесс пошел».

После уме­рен­но­го отжи­га, до 300–400 гра­ду­сов Цель­сия, как ока­за­лось, водо­род мож­но уда­лить, вос­ста­но­вив свой­ства чисто­го гра­фе­на. Это откры­ва­ет пер­спек­ти­вы исполь­зо­ва­ния гра­фа­на в водо­род­ной энер­ге­ти­ке, для хра­не­ния водо­ро­да (такая воз­мож­ность ранее изу­ча­лась нами тео­ре­ти­че­ски). Там важ­но иметь воз­мож­ность срав­ни­тель­но лег­ко свя­зы­вать и осво­бож­дать водо­род. Впро­чем, пока все упи­ра­ет­ся в отсут­ствие эффек­тив­но­го и деше­во­го спо­со­ба мас­со­во­го про­из­вод­ства гра­фе­на. Но мы рабо­та­ем над этим, и, есте­ствен­но, дру­гие тоже. Я вполне опти­ми­сти­чен. Не нуж­но забы­вать, что сама эта область иссле­до­ва­ний крайне моло­дая, так что, думаю, луч­шее еще впе­ре­ди.

Миха­ил Кац­нель­сон

[1] D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, and K. S. Novoselov. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane. Science 30 January 2009 323: 610–613 [DOI: 10.1126/science.1167130] (in Reports)

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: