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)