Тоньше и эффективнее: открытие исследователей из МИФИ приближает науку к углеродной электронике

Процесс превращения «двумерного алмаза» диамана в ценный гибридный материал, сочетающий проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические свойства, исследовали ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» с помощью компьютерного моделирования. Достижение поможет в разработке более компактной и эффективной наноэлектроники будущего, основанной на углероде. Результаты исследования были представлены в престижном научном журнале Diamond & Related Materials.

Подробнее о проведенной работе корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель лаборатории 2D-наноматериалов в электронике, фотонике и спинтронике МИФИ, профессор, доктор физико-математических наук Константин Петрович Катин, совершивший открытие вместе с доцентом кафедры физики твердого тела и наносистем №70 МИФИ, кандидатом физико-математических наук Алексеем Игоревичем Подливаевым.

Диаман представляет собой два слоя графена, скрепленных прочными химическими связями, как в обычном алмазе. Благодаря этому диаман обладает полезными характеристиками: высокой твердостью, а также уникальными электронными свойствами, открывающими возможности для использования этого материала в качестве диэлектрика в ультратонкой электронике. 

«Диаман называют “двумерным алмазом”, поскольку он похож на алмаз и по твердости, и по диэлектрическим свойствам, но при этом представляет собой двумерный материал. На него возлагают надежды как на основу для натрий-ионных аккумуляторов, солнечных панелей и электронных устройств, — объяснил К.П. Катин. — Интересен также принцип формирования диамана: два листа графена сильно прижимают друг к другу, в результате чего между ними формируются химические связи. Этот подход можно использовать для создания множества других инновационных материалов, используя вместо графена листы другого состава».

Но это не все: при нагревании диаман превращается в гибридную структуру, проявляющую разные электронные свойства. Исследователи из МИФИ подробно изучили, как это происходит, использовав авторский метод компьютерного моделирования.

«Моделирование новых материалов — сложный процесс. С одной стороны, необходимо спускаться на уровень отдельных атомов, чтобы получить точный результат. С другой стороны, атомов так много, что за всеми не может уследить даже самый мощный суперкомпьютер. Искусство исследователя состоит в том, чтобы не учитывать лишние подробности там, где это не существенно для поставленной задачи (иначе компьютер не справится), но не допускать упрощения в критически важных местах (физики называют это “не выплеснуть ребенка вместе с водой”), — отметил К.П. Катин. — Мы использовали приближение, разработанное в МИФИ специально для подобных задач: вместо сложных вычислений, описывающих переход электрона между разными квантовыми состояниями, мы применили приближенные формулы, ускоряющие расчет во много раз. Этот подход был разработан нашей командой в 2008–2011 гг. и с тех пор используется при моделировании различных систем не только нами, но и коллегами из Индии, Турции, Ирана и других стран».

Диаман — стабильный материал, поэтому процесс протекает только при повышенной температуре. Точкой отсчета для структурных преобразований становится отрыв от поверхности диамана одного атома водорода. Чтобы это произошло, частица должна получить существенное количество энергии – 2,59 Эв. Именно поэтому процесс не запустить без нагревания. 

После отрыва от материала одного атома водорода превращение становится необратимым. Из-за опустевшей «вакансии» в материале возникает зона напряжения, и это вызывает отрыв ближайшего атома водорода, находящегося на противоположном графеновом слое. Появление «дивакансии» запускает цепную реакцию: от поверхности диамана начинают один за другим отрываться остальные атомы водорода.

Там, где «двумерный алмаз» лишается атомов водорода, прочные связи между двумя графеновыми слоями разрываются. В этих местах диаман превращается в обычный биграфен — два слоя графена, слабо связанные между собой. В отличие от диамана, графен — отличный проводник. При этом в материале сохраняются области, где диаман не утрачивает свои свойства.

В результате прежде однородный «двумерный алмаз» превращается в интересную наноструктуру, объединяющую области с различными электронными свойствами: проводниковыми (биграфен), диэлектрическими (диаман) и полупроводниковыми (в промежуточной фазе, где биграфен сочетается с диаманом).

В перспективе открытие можно использовать для получения полупроводниковых структур с заранее заданными свойствами. Изученный гибридный материал потенциально способен стать основой полностью углеродной 2D-наноэлектроники. Ожидается, что она позволит создавать более быстрые, эффективные и тонкие устройства в сравнении с существующими кремниевыми.

«Любое электронное устройство должно содержать проводники, полупроводники и диэлектрики. Раньше для этого использовали разные вещества (например, металл, кремний и оксид металла). При соприкосновении различных материалов их кристаллические решетки искажаются, на границе возникают хаотичные буферные слои и ненужные сопротивления, компоненты “пачкаются” друг о друга. Система “диаман-графен” позволяет избежать этих проблем. В зависимости от внешних условий и обработки одна и та же система может проявлять диэлектрические, полупроводниковые или проводящие свойства. Учитывая рекордную подвижность носителей заряда в графене, использование такой системы может сильно повысить быстродействие электронных устройств», — раскрыл преимущества разработки К.П. Катин.

Интересно, что ученым также удалось рассчитать, какой самый маленький диамановый «островок» в материале способен сохранять стабильность, — его диаметр составляет лишь 0,3 нм, а для поддержания свойств достаточно всего восьми атомов водорода. Такие микроскопические структуры могут выступать в роли наноразмерных компонентов электроники будущего.

При этом, как считают исследователи, углеродная электроника не вытеснит кремниевую, а станет ее гармоничным дополнением.

«Углеродная электроника обладает преимуществами перед кремниевой — гибкостью, высоким быстродействием и биосовместимостью. Живой мозг — лучшее из известных устройств, и оно основано на углероде, а не на кремнии. Однако технологический переход в большей степени зависит от экономических причин, — пояснил К.П. Катин. — Дорогое оборудование уже произведено под кремниевую электронику, и преждевременно отказываться от него нецелесообразно. Кроме того, кремниевая электроника может остаться в тех областях, где ее недостатки не критичны (так же, как до сих пор в некоторых ситуациях лучше использовать лошадь, а не автомобиль). Одновременное развитие устоявшейся кремниевой и инновационной углеродной электроники будет способствовать прогрессу».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник изображения на превью: Константин Катин / НИЯУ МИФИ. 

Источники изображений на странице: Константин Катин / НИЯУ МИФИ, личный архив Константина Катина.