Ученые смогли найти способ, позволяющий регулировать электрические и оптические свойства двумерного графена. Это открывает большие перспективы в электронике и фотонике будущего. Статья, написанная командой исследователей из Колумбийского университета (США) и университета Сонгюнгван (Южная Корея), опубликована в журнале Nature Electronics.
Современные электрические схемы функционируют благодаря способности кремния проводить электрический ток. Проводящие свойства кремния можно модифицировать, вводя допанты (модифицирующие добавки) в его трехмерную кристаллическую решетку. В ходе процесса введения допантов в материале появляются отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные «дырки» на их месте. В результате этого повышается удельная электрическая проводимость. Однако существует проблема: трехмерная кристаллическая решетка кремния слишком велика для электроники нового поколения, в которой разрабатываются ультратонкие транзисторы, средства оптической связи и гибкие биосенсоры. В настоящее время ученые сосредоточились на материалах, которые представляют собой одинарный слой атомов. Таким материалом является графен. Тем не менее проверенные техники введения допантов не работают с двухмерным графеном, атомы углерода в котором обычно не проводят электричество.
Ученые описали метод, в ходе которого на слой графена наносят слой «переносчика заряда», который отдает или забирает электроны от графена. В предыдущих работах в слое-переносчике использовались «грязные» материалы: из-за примесей слой оказывался неравномерным, что снижало проводящую способность графена. В новом исследовании была показана «чистая» техника введения допантов в графен. В качестве переносчика заряда использовался слой чистого оксиселенида вольфрама. Он был получен при окислении одноатомного слоя другого двухмерного материала — селенида вольфрама. Как оказалось, слой оксиселенида вольфрама, помещенный поверх слоя графена, способствовал появлению в графене проводящих электричество дырок. Если добавить между слоями оксиселенида вольфрама и графена слои селенида вольфрама, можно регулировать проводящие свойства графена. Как оказалось, электрическая подвижность графена (насколько легко через него проходит заряд) при такой методике гораздо выше, чем в ранее описанных.
Добавление промежуточных слоев селенида вольфрама способствует увеличению электрической подвижности графена до такой степени, что эффект от оксиселенида вольфрама становится пренебрежимо малым. В таком случае электрическая подвижность определяется только свойствами самого графена. Электрическая проводимость графена, модифицированного подобным образом, оказалась выше, чем у некоторых металлов, таких как медь и золото.
Помимо электрических меняются и оптические свойства графена. По мере того как повышается его электрическая проводимость, материал становится более прозрачным. Это объясняется так называемой блокировкой Паули. Это феномен, в котором заряд, появившийся из-за допанта, не дает материалу поглощать свет. При облучении длинами волн ИК-спектра, которые используются в телекоммуникациях, графен становился на 99% прозрачным. Высокая прозрачность и проводимость необходимы для передачи информации в фотонных устройствах. Если материал поглощает слишком много света, это грозит потерями информации. Ученые выяснили, что при использовании графена, модифицированного оксиселенидом вольфрама, возникает куда меньше потерь, чем при применении других проводников. В дальнейшем такой материал может быть использован в фотонике будущего. Ученые планируют экспериментировать с паттерном оксиселенида вольфрама и нанесением электрических схем прямо на графен.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
