Физики научились превращать графен в полупроводник

Американские и корейские физики смогли превратить графен в полупроводник – они «вставили» в решетку из атомов углерода отдельные атомы азота, добавив аммиак в газовую среду, где выращивались графеновые пленки, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Группа физиков под руководством Абхая Пасупатхи (Abhay Pasupathy) из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) полагает, что

совершенствование этой методики позволит графену заменить кремний в качестве «строительного материала» для электронных устройств.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Он отличается высокой прочностью и уникальными электрическими свойствами, что делает графен привлекательным для использования в различных областях науки и техники. За создание графена выходцам из России Константину Новоселову и Андрею Гейму была присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.

Пасупатхи и его коллеги попытались «вставить» инородные атомы в графеновую решетку очень простым образом – они добавили в смесь метана и водорода, из которых выращивается графен, небольшое количество аммиака. Через некоторое время на фольге из меди, на которой осаждаются атомы углерода, образуется тонкая пленка из атомов углерода и небольших вкраплений атомов азота.

Авторы статьи проанализировали свойства полученных пленок и обнаружили несколько интересных свойств.

Как отмечается в статье, два новых пика в спектрограмме рассеивания света на пленке графена указали на наличие инородных атомов в углеродной решетке.

Фотоэлектронная спектроскопия – способ определения химического состава образца при помощи рентгеновского излучения и фотосенсоров – подтвердила наличие азота в графеновой пленке.



Атомы азота в графеновой решетке.

Электроны атомов азота, «вставленных» в пленку, образуют три равноценных электронных облака, связанных с тремя соседними атомами углерода. Азот лучше углерода притягивает свободные электроны, и поэтому вокруг атома азота скапливается частичный отрицательный заряд, а вокруг атомов углерода – частично положительный.

Ученые сфотографировали поверхность пленки с помощь туннельного микроскопа – устройства, измеряющего неровности поверхности на атомарном уровне. Поверхность графеновой решетки была практически ровной, за исключением нескольких небольших «вздутий» – атомов азота. По оценкам ученых, на 300 атомов углерода приходился примерно один атом азота. Включения были равномерно распределены по поверхности пленки, и в подавляющем числе случаев состояли из «троек» атомов азота. Как считают ученые, такая структура могла появиться только в том случае, если атомы азота «выбили» углерод из решетки и встали на его место.

Анализ проводимости графен-азотной решетки показал, что каждый атом азота добавляет по 0,42 свободных электрона в графеновую решетку. Это объясняется тем, что взаимодействие соседних атомов азота и углерода дестабилизировало положение электронов в ближайших узлах решетки, в результате чего они обрели частичную подвижность.

Таким образом, в азот-графеновых решетках присутствуют два необходимых компонента полупроводимости – свободные электроны и атомы азота с незанятыми орбиталями, к которым могут присоединиться эти электроны.

Источник