Ученым впервые удалось химически модифицировать графен, не разрушив его кристаллическую структуру. Новый материал, графан, получен из графена и водорода и значительно отличается по свойствам от своего «чистого» родственника.
Получить графан экспериментально удалось группе из Университета Манчестера под руководством профессора Андре Гейма и члена Королевского университетского общества Константина Новоселова. Характерно, что это та же самая группа, которая в 2004 году впервые получила графен, спровоцировав бурный рост интереса и шквал научных исследований, посвященных этому уникальному углеродному материалу.
[v1]
Теория опередила практику
Собственно, возможность существования графана -- двумерного кристалла на основе графена -- предсказали еще в 2006 году физики и материаловеды из Университета Пенсильвании. Статья о работе опубликована в Physical Review B. С помощью компьютерных расчетов ученые предсказали стабильность двумерной «моноатомной» структуры типа графена, в которой к каждому атому углерода присоединен атом водорода. Они также описали энергетическое состояние углерода и превращение структуры из совершенно плоской в объемную, а также рассчитали межатомное расстояние в придуманной ими структуре. Термин «графан» также предложили именно ученые из Пенсильвании.
Интерес к материалам на основе графена не случаен. Сам графен обладает очень высокой проводимостью металлического типа. То есть у него нет так называемой запрещенной зоны -- энергетического барьера, необходимого для создания в материале p-n-перехода, ключевого элемента диодов и транзисторов. Которые в свою очередь стали ключевыми элементами микросхем. Ученые прибегали к различным ухищрениям, чтобы такой энергетический барьер возник, в основном за счет создания «физических» препятствий на пути тока, получая квантовые точки и точечные контакты графеновых элементов. Но все подобные эксперименты были очень сложны, а запуск их в серийное производство пока не представляется возможным.
[v2] Попытки же химической модификации графена до сих пор ни к чему не приводили. Например, после присоединения кислорода или гидроксильной группы структура графена либо разупорядочивалась и свойства ее менялись неоднородно, либо двумерный кристалл вообще разрушался. А уж обратимо подобные реакции проводить и вовсе не удавалось: графен в этих опытах «портился» навсегда.
Удачный эксперимент
Исследователей из Манчестера предыдущий опыт коллег не испугал. Однако начать они решили с малого, причем в буквальном смысле -- с присоединения к каждому атому углерода атома водорода, то есть с получения графана.
Эксперимент довольно прост. Графен в подвешенном состоянии помещался в ток «холодной» водородной плазмы. Плазма возникала при прохождении газообразного водорода через электрическую дугу. Причем подопытный графен пришлось удалить от дуги на 30 см, чтобы на него не наткнулись высокоэнергетичные ионы водорода, некоторое количество которых все же возникало. Так они не могли повредить структуру графена, потому что на столь длинном пути теряли свою энергию, передав ее, к примеру, атомам аргона, которые выполняли роль «носителя» водородной плазмы.
Что в данном случае означает «в подвешенном состоянии»? Манчестерские физики сконструировали специальный металлический держатель с крохотным отверстием, на которое помещался лист графена. Так атомам водорода обеспечивался доступ к обеим сторонам углеродного листа. В ином случае, если бы, к примеру, лист графена лежал на подложке, водород сумел бы присоединиться только с одной стороны листа. Значит, лишь к половине атомов. Ведь разрушение «двойной связи» приводит к выходу атома углерода из плоскости: водород как бы оттягивает его на себя. А значит, соседние три атома углерода оттягиваются в противоположном направлении, и атомы водорода крепятся к ним с обратной стороны листа. Ученые даже попробовали обстрелять атомарным водородом графен, лежащий на подложке. Ведь крохотные атомы водорода могли продиффундировать через графеновый лист и занять положенные им места. Но эксперимент оказался неудачным -- двумерная сплошная структура разрушилась.
[v3] А вот структура, полученная в результате облучения листа графена на весу, практически совпала с предсказанной. Ученые доказали это с помощью просвечивающей электронной микроскопии по изменению расстояний между атомами углерода. В проекции на плоскость они уменьшились на 5% (хотя на самом деле увеличились, но при этом между ними уменьшился угол). При этом из проводника металлического типа двумерный кристалл превратился в диэлектрик, ведь несвязанный электрон, который в графене свободно перемещался по решетке, обеспечивая электрический ток, теперь стал участником связи углерод-водород.
В разговоре с корреспондентом Infox.ru Константин Новоселов признался, что не может точно сказать, насколько полной была реакция. Единственное, что ученые могут утверждать совершенно точно, так это то, что участки «идеального» графана превосходят по площади сечение пучка, диаметр которого равняется примерно половине микрона. Полному превращению мешает то, что границы графенового листа закреплены на держателе. А ведь при изменении структуры двумерный кристалл стремится сжаться. Впрочем, Новоселов считает, что совокупность данных микроскопии, измерений электрических свойств и сопутствующих анализов позволяет утверждать: участки полного превращения графена в графан «макроскопические». То есть пригодны для дальнейших исследований и возможного применения.
Будущее графана
Что касается возможного применения, как рассказал Infox.ru доктор Новоселов, водород был выбран для начала. «Это самое простое, что мы могли попробовать», -- прокомментировал он выбор реагента. Сейчас в его группе ведутся работы по модификации графена другими элементами, которые могли бы позволить варьировать тип проводимости и запрещенную зону производных графена, добившись столь желанных полупроводниковых свойств. «Графан мы тоже можем считать полупроводником, -- считает ученый, -- причем с широкой запрещенной зоной».
«Современная полупроводниковая индустрия использует всю Периодическую таблицу, от диэлектриков до полупроводников и металлов», -- говорит коллега Новоселова Андре Гейм. Он нарисовал очень заманчивую картину, которая, возможно, вскоре станет реальностью: «Что если один материал может быть модифицирован так, что покрывает весь спектр электрических свойств, необходимый для применений в электронике? Представьте графеновую подложку, на которой все контакты сделаны из высокопроводящего, чистейшего графена, в то время как другие участки, модифицированные химически, стали полупроводниковыми и работают как транзисторы».
Впрочем, пока это только мечты и надежды ученых. В дальнейшем они могут столкнуться с непреодолимыми трудностями, ведь химическая природа диктует свои законы. Infox.ru будет с большим интересом следить за работой группы Константина Новоселова и Андре Гейма.
