Ученые превратили графен в уникальный полупроводник

Графен — самый известный двумерный материал, который представляет собой один слой атомов углерода, образующих шестиугольную решетку. Графен имеет множество достоинств с точки зрения наноэлектроники: это исключительно высокая подвижность электронов, а также высокая прочность, эластичность и теплопроводность.

Однако у графена есть серьезный недостаток, который мешает его использованию в электронике: графен в своем исходном состоянии не является полупроводником, между тем как современные электронные приборы конструируются именно из полупроводников.

Важнейшее отличие проводников от полупроводников заключается в том, что у последних есть так называемая запрещенная зона, или «энергетическая щель», то есть диапазон значений энергии, которые не могут занимать электроны данного кристаллического вещества.

Энергетическая щель разделяет минимальные и максимальные значения энергии электронов кристалла.

Как рассказал профессор НИЯУ МИФИ Михаил Маслов, существует несколько способов создания запрещенной зоны в графене. Обычно ученые используют один из трех подходов: химическая модификация (например, фторирование или наводораживание), механическая деформация или создание двухслойной гетероструктуры, в которой запрещенная зона открывается за счет межслоевого взаимодействия.

Однако, говорит профессор НИЯУ МИФИ Константин Катин, все три способа имеют серьезные недостатки. Химическая функционализация часто необратима: чтобы очистить графен от функциональных групп, нужны высокие температуры и агрессивные среды, повреждающие его структуру. А некоторые функциональные группы, зацепившиеся за дефекты, все равно остаются и уменьшают подвижность электронов.

Механическая деформация слишком слабо влияет на запрещенную зону. «Согласно нашим предыдущим работам, растяжение графена на 10% (это почти предел, дальше он может порваться) приводит к открытию очень узкой запрещенной зоны в пределах 0,1 эВ. Та же проблема возникает и с гетероструктурами: неудивительно, что слабое ван-дер-ваальсово притяжение между слоями слабо меняет электронную структуру и не может обеспечить широкую запрещенную зону»,— пояснил Константин Катин.

Чтобы решить проблему создания запрещенной зоны в графене, исследователи НИЯУ МИФИ в составе международной научной группы скомбинировали два подхода — межслойное взаимодействие и деформацию. Они перебрали многие пары двумерных «партнеров» графена и установили, что лучшее решение — гетероструктура на основе графена и дителлурида молибдена — вещества, чья молекула состоит из одного атома молибдена и двух атомов теллура.

«При деформации на 8% в графене открывается щель 0,8 эВ, что позволяет ему на равных конкурировать с классическими полупроводниками. И главное достоинство графена — напряжение можно обратимо прикладывать и убирать, возвращая графен в исходное состояние. Кроме того, деформируя гетероструктуру, можно подстраивать ширину ее запрещенной зоны под необходимое значение. Этим не может похвастаться ни один “обычный” полупроводник!» — рассказал Константин Катин.

Исследователи собираются продолжить работу и проверить предположение о том, что найденная гетероструктура может оказаться хорошим фотодетектором.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Diamond and Related Materials​​.