Графен - лист атомов углерода, соединенных в шестиугольную структуру из проволочной сетки - имеет большие перспективы для микроэлектроники. Графен толщиной всего в один атом и обладающий высокой проводимостью может однажды заменить обычные кремниевые микрочипы, сделав устройства меньше, быстрее и более энергоэффективными.
Помимо потенциальных применений в интегральных схемах, солнечных батареях, миниатюрных биоустройствах и датчиках молекул газа, этот материал привлек внимание физиков своими уникальными свойствами проведения электричества на атомном уровне.
Графен имеет очень небольшое сопротивление и позволяет электронам вести себя как безмассовые частицы, такие как фотоны или легкие частицы, путешествуя по гексагональной сетке на очень высоких скоростях.
Изучение физических свойств и потенциальных применений графена, однако, страдает от отсутствия подходящих материалов-носителей, которые могут поддерживать плоский слой графена, не влияя на его электрические свойства.
Исследователи физического факультета Университета Аризоны вместе с сотрудниками из Массачусетского технологического института и Национального института материаловедения в Японии сделали важный шаг вперед к преодолению этих препятствий.
Они обнаружили, что, поместив слой графена на материал, почти идентичный по структуре, вместо обычно используемого в микрочипах оксида кремния, они могут значительно улучшить его электронные свойства.
Заменив кремниевые пластины нитридом бора, графеноподобной структурой, состоящей из атомов бора и азота вместо атомов углерода, группа первой измерила топографию и электрические свойства полученного гладкого графенового слоя с атомарным разрешающая способность.
«Структурно нитрид бора в основном такой же, как графен, но в электронном виде он совершенно другой», - сказал Брайан Лерой, доцент кафедры физики и старший автор исследования. «Графен - проводник, нитрид бора - изолятор».
Мы хотим, чтобы наш графен располагался на чем-то изолирующем, потому что мы заинтересованы в изучении свойств одного только графена. Например, если вы хотите измерить его сопротивление и поместите его на металл, вы просто измерю сопротивление металла, потому что он проводит лучше, чем графен».
В отличие от кремния, который традиционно используется в электронике, графен представляет собой единый слой атомов, что делает его многообещающим кандидатом в поисках электронных устройств все меньшего размера. Подумайте о переходе от книги в мягкой обложке к кредитной карте.
«Это настолько мало, насколько вы можете уменьшить его», - сказал Лерой. «Это один слой, вы никогда не получите половину слоя или что-то в этом роде. Можно сказать, что графен идеально подходит для того, чтобы сделать его маленьким, но при этом он остается хорошим проводником».
Сложенные друг на друга 3 миллиона листов графена составят всего 1 миллиметр. Самый тонкий материал на Земле, графен, принес Нобелевскую премию 2010 года Андрею Гейму и Константину Новоселову, которые смогли продемонстрировать его исключительные свойства применительно к квантовой физике.
"Используя сканирующий туннельный микроскоп, мы можем смотреть на атомы и изучать их", добавил он. «Когда мы помещаем графен на оксид кремния и смотрим на атомы, мы видим бугорки высотой около нанометра».
Хотя нанометр - миллиардная часть метра - может показаться не таким уж большим, для электрона, мчащегося в сетке атомов, это довольно неровная дорога.
"По сути, это как лист бумаги с небольшими складками", - объясняет Лерой. «Но если положить бумагу, в данном случае графен, на нитрид бора, она будет намного более плоской. Она на порядок сгладит неровности».
Лерой признает, что второй эффект, достигнутый его исследовательской группой, объяснить немного сложнее.
"Когда у вас есть графен, сидящий на оксиде кремния, внутри оксида кремния в некоторых местах есть захваченные электрические заряды, и они индуцируют некоторый заряд в вышележащем графене. Вы получаете довольно небольшое изменение плотности электронов., Если графен сидит на нитриде бора, изменение будет на два порядка меньше."
В своей лаборатории Лерой демонстрирует первый - и на удивление низкотехнологичный - шаг в описании образцов графена: он помещает крошечную чешуйку графита - вещество, из которого состоит «грифель» карандаша - на липкую ленту, складывает он возвращается на себя и снова разделяет его на части, в процессе, напоминающем тест Роршаха.
«Вы сложите это пополам, - объяснил он, - и снова и снова, пока оно не станет тонким. Графен хочет расслаиваться на эти слои, потому что связи между атомами в горизонтальном слое сильны, но слабый между атомами, принадлежащими к разным слоям. Когда вы поместите это под оптический микроскоп, будут области с одним, двумя, тремя, четырьмя или более слоями. Потом просто под микроскопом ищешь однослойные."
«Трудно найти образец, потому что он очень, очень маленький», - сказал Цзямин Сюэ, аспирант лаборатории Лероя и ведущий автор статьи. «Как только мы его найдем, мы поместим его между двумя золотыми электродами, чтобы измерить проводимость».
Чтобы измерить топографию поверхности графена, команда использует сканирующий туннельный микроскоп, который имеет сверхтонкий наконечник, который можно перемещать.
«Мы перемещаем наконечник очень близко к графену, пока к нему не начнут туннелировать электроны», - объяснил Сюэ. «Вот как мы можем видеть поверхность. Если есть выпуклость, кончик немного приподнимается».
Для спектроскопических измерений Сюэ держит наконечник на фиксированном расстоянии над образцом. Затем он изменяет напряжение и измеряет, сколько тока протекает в зависимости от этого напряжения и любой заданной точки на образце. Это позволяет ему отображать различные уровни энергии в образце.
«Вам нужен как можно более тонкий изолятор», - добавил Лерой. «Первоначальная идея была в том, чтобы подобрать что-то плоское, но изолирующее. Поскольку нитрид бора по сути имеет ту же структуру, что и графен, его можно таким же образом расслоить на слои. Поэтому в качестве основы используем металл, наносим тонкий слой бора. нитрид, а сверху графен."
Часть этого исследования, посвященная UA, финансировалась Исследовательским бюро армии США и Национальным научным фондом.