С момента своего открытия всего несколько лет назад графен поднялся на вершину кучи новых суперматериалов, готовых изменить ландшафт электроники и нанотехнологий. Как объясняет Н. Дж. Тао, исследователь из Института биодизайна Аризонского государственного университета, эта двумерная сотовая структура атомов углерода исключительно прочна и универсальна. Его необычные свойства делают его идеальным для приложений, которые расширяют существующие возможности микрочипов, химических датчиков, биосенсоров, сверхемкостных устройств, гибких дисплеев и других инноваций.
В недавнем выпуске Nature Nanotechnology Letters Тао описывает первое прямое измерение фундаментального свойства графена, известного как квантовая емкость, с использованием метода электрохимического вентиля. Лучшее понимание этой важной переменной должно оказаться неоценимым для других исследователей, участвующих в исследованиях графена, которые можно назвать золотой лихорадкой.
Хотя теоретическая работа над однослойными графеноподобными структурами велась десятилетиями, открытие настоящего графена стало шоком. «Когда они обнаружили, что это стабильный материал при комнатной температуре, - говорит Тао, - все были удивлены». Как это бывает, мельчайшие следы графена исчезают всякий раз, когда проводится карандашная линия, хотя создание двумерного листа материала оказалось более сложной задачей. Графен отличается своей тонкостью и упругостью. Лист графена толщиной в один атом, достаточный по размеру, чтобы покрыть футбольное поле, будет весить меньше грамма. Это также самый прочный материал в природе - примерно в 200 раз прочнее стали. Однако большая часть волнений связана с необычными электронными свойствами материала.
Графен демонстрирует превосходный перенос электронов, позволяя электричеству течь быстро и более или менее беспрепятственно через материал. На самом деле было показано, что электроны ведут себя как безмассовые частицы, подобные фотонам, проносящиеся по слою графена без рассеяния. Это свойство имеет решающее значение для многих приложений устройств и вызвало предположение, что графен может в конечном итоге вытеснить кремний в качестве предпочтительного вещества для компьютерных чипов, предлагая перспективу сверхбыстрых компьютеров, работающих на терагерцовых скоростях, стремительно опережающих нынешнюю технологию гигагерцовых чипов. Тем не менее, несмотря на обнадеживающий прогресс, полное понимание электронных свойств графена остается неуловимым. Тао подчеркивает, что измерения квантовой емкости являются неотъемлемой частью этого понимания.
Емкость - это способность материала накапливать энергию. В классической физике емкость ограничивается отталкиванием одноименных электрических зарядов, например, электронов. Чем больше заряда вы вкладываете в устройство, тем больше энергии вам нужно затратить, чтобы удержать его, чтобы преодолеть отталкивание заряда. Однако существует другой вид емкости, и он доминирует над общей емкостью двумерного материала, такого как графен. Эта квантовая емкость является результатом принципа запрета Паули, который гласит, что два фермиона - класс обычных частиц, включающий протоны, нейтроны и электроны - не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Как только квантовое состояние заполнено, последующие фермионы вынуждены последовательно занимать более высокие энергетические состояния. Как объясняет Тао, «это как в здании, где люди вынуждены подниматься на второй этаж после того, как первый уровень занят».
В текущем исследовании два электрода были прикреплены к графену, а напряжение прикладывалось к двумерной поверхности материала с помощью третьего электрода затвора. Графики зависимости напряжения от емкости можно увидеть на рис.1. В экспериментах Тао была тщательно измерена способность графена накапливать заряд в соответствии с законами квантовой емкости. Результаты показывают, что емкость графена очень мала. Кроме того, квантовая емкость графена не точно повторяла теоретические предсказания поведения идеального графена. Это связано с тем, что в экспериментальных образцах графена встречаются заряженные примеси, которые изменяют поведение относительно ожидаемого согласно теории.
Тао подчеркивает важность этих заряженных примесей и то, что они могут означать для разработки графеновых устройств. Уже было известно, что такие примеси влияют на подвижность электронов в графене, хотя их влияние на квантовую емкость было обнаружено только сейчас. Низкая емкость особенно желательна для химических сенсорных устройств и биосенсоров, поскольку она обеспечивает более низкое отношение сигнал/шум, обеспечивая очень точное разрешение химических или биологических агентов. Усовершенствования графена позволят его электрическому поведению более близко приблизиться к теории. Это может быть достигнуто путем добавления противоионов, чтобы сбалансировать заряды, возникающие из-за примесей, тем самым еще больше снижая емкость.
Чувствительность геометрии одного атомного слоя графена и низкая емкость обещают значительный импульс для приложений биосенсоров. Такие приложения являются центральной темой, интересующей Тао, который руководит Центром биоэлектроники и биосенсоров Института биодизайна. Как объясняет Тао, любое биологическое вещество, взаимодействующее с одноатомным поверхностным слоем графена, может быть обнаружено, вызывая огромные изменения в свойствах электронов.
Одним из рассматриваемых возможных применений биосенсора может быть функционализация поверхности графена антителами для точного изучения их взаимодействия со специфическими антигенами. Такие биосенсоры на основе графена могут обнаруживать отдельные события связывания при наличии подходящего образца. Для других приложений добавление примесей к графену может увеличить общую межфазную емкость. Ультраконденсаторы, изготовленные из графеновых композитов, будут способны хранить гораздо большее количество возобновляемой энергии солнца, ветра или волн, чем позволяют современные технологии.
Из-за планарной геометрии графена он может быть более совместим с обычными электронными устройствами, чем другие материалы, включая хваленые углеродные нанотрубки. «Вы можете представить атомарный лист, разрезанный на разные формы для создания различных свойств устройства», - говорит Тао.
С момента открытия графена ведется охота за подобными двумерными кристаллическими решетками, хотя до сих пор графен остается драгоценной диковинкой.