МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УНИКАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЛЕНТЫ ГРАФЕНА С ЗАДАННЫМИ

Впервые разработан метод, который позволит эффективно получать наноленты графена непосредственно на поверхности полупроводников путем объединения отдельных атомов. Это позволяет не только построить на поверхности оксида титана графеновые ленты, но также тщательно настраивать заданные свойства, так как они определяются формой и шириной материала.

Чудо-материал графен может принимать различные формы для самых разных целей: от прозрачных пленок, которые отталкивают комаров, до наполнителей, повышающих безопасность батарей. Одно из важнейших направлений, над которым ученые интенсивно работают, — это графеновые наноленты для применения в системах хранения и вычисления энергии. Но про

изводство этих ультратонких полос графена оказалось трудным делом.

Так как графен является полуметаллом, то невозможно избавиться от носителей тока в нем при подаче затворного напряжения, и поэтому всегда будут существовать высокие токи утечки в графеновых структурах. Для преодоления этого нежелательного эффекта предлагается использовать узкие полоски графена, из-за размера называемые нанолентами.

Графеновые наноленты — это узкие полоски графена с шириной порядка 10–100 нм. По своим физическим свойствам они отличаются от более широких образцов, которые имеют линейный закон дисперсии, как в бесконечном графене. Наноленты интересны тем, что обладают нелинейным законом дисперсии и полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещенной зоны, которая зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. Таким образом, в графеновых нанолентах благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещенной зоны, ширина которой обратно пропорциональна поперечному размеру ленты. Графеновые наноленты благодаря этому рассматриваются как важный шаг в создании транзистора на основе графена, который будет работать при комнатной температуре.

В отличие от листов атомов углерода, расположенных в виде ячеистых структур, составляющих традиционный графен, наноленты графена состоят из тонких полосок, всего несколько атомов в ширину. В перспективе этот материал имеет большой потенциал в качестве более дешевой и меньшей альтернативы кремниевым транзисторам, которые также будут работать быстрее и потреблять меньше энергии, или в качестве электродов для батарей, которые могут заряжаться всего за несколько минут. Именно поэтому многие исследовательские группы по всему миру концентрируют свои усилия на нанолентах графена.

В целом, графеновые наноленты сегодня синтезируются на золотых поверх-

Графеновые наноленты могут служить различным целям, и новый способ их производства может помочь раскрыть этот потенциал. Преимущество нанолент заключается в том, что при помощи достаточно простой техники могут быть созданы весьма тонкие образцы. Кроме того, у лент получаются более гладкие края, чем у фрагментов графена, формируемых обычными методами литографии. Этот момент важен, так как «изрезанные» края при таких масштабах оказывают существенное влияние на физические свойства ленты. Исследования показали, что при помощи импульсов напряжения противоположного знака устройство может переключаться из одного состояния (обозначающего, допустим, ноль) в другое (единицу). Кроме того, даже после отключения внешнего напряжения устройство «помнит» свое состояние, что является прямым подтверждением возможности его использования в качестве энергонезависимой ячейки памяти

ностях, которые служат катализатором их образования, но золото дорогое и является проводником электричества, что сводит на нет свойства нанолент. Этот является существенным недостатком, который до сих пор ограничивал их использование за пределами лаборатории, поскольку наноленты должны быть аккуратно перенесены на другую поверхность, что является нелегкой задачей.

Ученые заявляют о прорыве в области получения графеновых нанолент, разработав метод, который позволил им впервые эффективно получать такие наноленты непосредственно на поверхности полупроводников.

Автор исследования — профессор Константин Амшаров из немец

кого университета имени Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) работал с исследователями из Германии, США и Польши над разработкой более простого способа получения графеновых нанолент. Результат был достигнут путем объединения отдельных атомов, что позволило им впервые построить графеновые наноленты на поверхности оксида титана, полупроводящего неметаллического материала. В новом методе в качестве подложки исследователи использовали кристаллическую модификацию оксида титана — рутил. Для синтеза исследователи использовали 10,10»-дибром-1’,4’-дифтор-9,9’:10’,9»- терантрацен (DBDFTA). Соединение полимеризовали на подложке

Свойс тва графеновой наноленты зависят от формы ее краев. Если ра с-смотреть этот объект под электронным микроскопом, мы увидим сетку из правильных шестиугольников, образованных атомами углерода. При этом атомы на краях будут располагаться или зигзагом, или в виде «кресла ». Это зависит от того, как ориентированы ячейки кристаллической решетки (условно говоря, по горизонтали или по диагонали) Наноленты гра фена при рассмотрении на электронном микроскопе

из рутила, а затем проводили циклодегидрофторирование для создания внутримолекулярных связей. В конечном итоге ученые получили наноленту из графена, длину и ширину которой можно контролировать в процессе синтеза. По заявлению исследователей есть возможность тщательно настраивать свойства наноленты, так как они определяются формой и шириной материала.

«Наш новый метод позволяет нам полностью контролировать процесс сборки графеновых нанолент, — утверждает Амшаров. — Этот процесс является технологически значимым, поскольку его также можно использовать на промышленном уровне. Он к тому же более рентабелен, чем предыдущие процессы».

Эта новая способность производить настраиваемые графеновые наноленты непосредственно на полупроводниковых поверхностях без необходимости использования металлических поверхностей, которые нейтрализуют их способности, по мнению команды, открывает широкие возможности. Они включают в себя не только хранение данных, но и потенциально выступают в качестве эффективных полупроводников для современных электронных устройств, включая квантовые компьютеры.