Новости химической науки > Исследователи получили гибридный материал на основе графена

Исследователи из Университета Райса разработали метод, позволяющий скроить из графена и гексагонального нитрида бора (h-BN) двумерную систему – новый материал, который может найти применение в электронных приборах будущего.

Нанесенный на слой стекла одноатомный слой гибрида графена и нитрида бора можно увидеть невооруженным глазом. Исследователи могут контролировать удельную проводимость нового материала. (Рисунок из Nature Materials, 2010, doi:10.1038/nmat2711)

Для одноатомного слоя h-BN, характерна та же самая структура двумерной кристаллической решетки, что и для графена, однако электрические свойства этих материалов находятся на разных полюсах – h-BN является изолятором, в то время как графен характеризуется значительной электропроводностью. Возможность комбинировать нитрид бора и графен в одной двумерной кристаллической решетке может привести к созданию двумерных структур со всем спектром электрических свойств – проводник – полупроводник – непроводящий материал.

Так как графен проводник, а нитрид бора – изолятор, электропроводность гибридного материала будет определяться соотношением компонентов. Лиджи Си (Lijie Ci) и Ли Сонг (Li Song) обнаружили, что чередование доменов h-BN и углерода, реализуемое с помощью химического осаждения паров [chemical vapor deposition (CVD)] позволяет контролировать соотношение двух материалов в образующейся пленке.

Новый материал дает физикам и химикам возможность изучения методов настройки величины запрещенной энергетической щели в двумерных системах, полная фазовая энергетическая диаграмма двумерного материала, состоящего из азота, бора и углерода предоставляет большие возможности специалистам по наноматериалам. Исследователи считают, что гибридный материал с любым соотношением компонентов может найти применение в физических или электрооптических устройствах.

В последние годы графен представляет собой объект интенсивного исследования, как благодаря высокой электропроводности, так и возможностью получать на его основе электронные устройства, размеры которых много меньше нижнего теоретического предела электронных схем на основе кремния. Впервые графен был получен в 2004 году британскими исследователями, которые снимали слой за слоем с графита с помощью липкой ленты. Идея получить двумерный гибридный материал из графена и нитрида бора основывалась на том, что обычный нитрид бора уже сравнительно давно используется для легирования графита.

Структура кристаллических решеток графена и h-BN одинакова, Си и Сонг обнаружили, что химическое осаждение паров приводит к образованию одноатомных листочков, в котором небольшие участки нитрида бора внедрены в матрицу двумерного углерода.

Важным фактором для материалов электроники является величина запрещенной энергетической щели, которая должна настраиваться для применения в различных областях. Электроны графена находятся на обобщенном Ферми-уровне, из-за чего эта форма углерода характеризуется нулевой «энергетической щелью». Предполагалось изменять величину «щели», внедряя в графен наноразмерные полоски других материалов или легируя графен акцепторами или донорами электронов, однако Си и Сонг показали, что контроль запрещенной энергетической щели может осуществляться просто за счет варьирования соотношения графена и нитрида бора.

До настоящего времени остается достаточно сложной задача получения одноатомных слоев гибридного материала – большая часть пленок, выращенных в лаборатории, состоят из двух или трех слоев. Также пока исследователи не могут контролировать размещение фрагментов нитрида бора в листе графена, но продолжают работать в этом направлении.

Исследователи полагают, что новый гибридный материал можно получать в промышленном масштабе, в некоторых научных лабораториях уже были получены листки графена длиной в несколько сантиметров. То, что с помощью литографических методов графену можно придавать желаемую форму, может лечь в основу создания новых электронных устройств.

Источник: Nature Materials, 2010, doi:10.1038/nmat2711

метки статьи: #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия, #химия поверхности