Являясь сверхтонкой полосой, графен обладает полупроводниковыми свойствами, хотя на самом деле этот материал является проводящим. Исследователи из Empa и Института исследований полимеров имени Макса Планка легировали молекулы графена атомами азота. Бесшовно выстраивая легированные и нелегированные куски графена, они смогли установить «гетеропереходы» в нанолентах, требование, чтобы ток протекал только в одном направлении при приложении напряжения - первый шаг к графеновому транзистору. Команде также удалось отделить графеновые ленты от золотой подложки, на которой они были выращены, и перенести их на непроводящий материал.
Графен обладает многими замечательными свойствами: он является отличным проводником тепла и электричества, прозрачен, тверже алмаза и чрезвычайно прочен. Но чтобы построить из него эффективные электронные переключатели, материал должен быть не только отличным проводником, но и иметь возможность включаться и выключаться. Для этого требуется так называемая запрещенная зона, которая обеспечивает изолирующее состояние в полупроводниках. Проблема: ширина запрещенной зоны в графене исчезающе мала. Поэтому некоторое время назад исследователи Empa из отдела «nanotech@surfaces» разработали метод синтеза формы графена с большей шириной запрещенной зоны. Для этого они «выращивают» сверхтонкие графеновые ленты посредством молекулярной самоорганизации.
Полосы графика из сегментов с различным легированием
Исследователи во главе с Романом Фазелем достигли еще одной важной вехи: графеновые ленты, состоящие из различных легированных подсегментов. Вместо того, чтобы всегда использовать одни и те же «чистые» молекулы углерода, они использовали дополнительно легированные молекулы - молекулы, снабженные «чужеродными атомами», в данном случае азотом, в точно определенных положениях. Путем выстраивания «нормальных» и легированных азотом сегментов на поверхности золота (Au(111)) между отдельными сегментами были созданы так называемые гетеропереходы.
Исследователи показали, что они имеют свойства, сходные с классическим p-n переходом, то есть переход из области положительных зарядов в область отрицательных в полупроводниковом кристалле и структурную основу для многих компонентов в полупроводниковом кристалле. полупроводниковая промышленность. По p-n-переходу ток течет только в одном направлении. Как теоретически показали исследователи Empa вместе с коллегами из Политехнического института Ренсселера в Трое, штат Нью-Йорк, новая полосовая гетероструктура из графена также обеспечивает эффективное разделение электронно-дырочных пар при приложении внешнего напряжения. Это напрямую влияет на текущий выход солнечной батареи. Исследователи описывают соответствующие гетеропереходы в сегментированных графеновых лентах в недавно опубликованном номере «Nature Nanotechnology».
Перенос графеновых лент на другие подложки
При этом ученые решили еще одну проблему интеграции графеновых нанотехнологий в обычную полупроводниковую промышленность: как перенести ультратонкие графеновые ленты на другую поверхность? Потому что, пока графеновые ленты находятся на металлической подложке (как здесь, на золоте), их нельзя использовать в качестве электронных переключателей. Золото проводит и создает короткое замыкание, которое «саботирует» интересные полупроводниковые свойства графеновой ленты. Группе Фазеля и его коллегам из Института исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце удалось показать, что графеновые ленты можно эффективно и неповрежденными перенести на (почти) любую подложку, такую как сапфир, фторид кальция или сапфир, с помощью относительно простого травления и очистки. процесс Оксид кремния.
Графен становится интересным полупроводниковым материалом и долгожданным дополнением к вездесущему кремнию. Полупроводниковые графеновые ленты привлекательны тем, что они могут создавать электронные компоненты меньшего размера и, следовательно, более энергоэффективные и быстрые, чем кремниевые. Однако применения графеновых лент в мире электроники ждать не стоит в ближайшее время. Причинами этого являются проблемы с масштабированием до промышленных масштабов или с заменой традиционной электроники на основе кремния. По оценкам Фазеля, пройдет еще 10-15 лет, прежде чем первые электронные переключатели с графеновой лентой можно будет использовать в продукте.
Графеновые ленты для фотоэлектрических устройств
Когда-нибудь фотогальванические компоненты также смогут основываться на графиках. Во второй статье, опубликованной в «Nature Communications», Паскаль Рюфьё - также из отдела Empa «nanotech@surfaces» - и его коллеги описывают, например, возможное использование графеновых полосок в солнечных батареях. Руфье и Ко заметили, что особенно узкие графеновые ленты исключительно хорошо поглощают видимый свет и поэтому идеально подходят для использования в качестве поглощающего слоя в органических солнечных элементах. В отличие от «обычного» графена, который поглощает свет в одинаковой степени на всех длинах волн, поглощение света графеновыми нанолентами для определенных длин волн может быть целенаправленно значительно увеличено путем «настройки» ширины графеновых лент с помощью точность.