Ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» обеспечили возможность использования графена в качестве полупроводника, задействовав для этой цели дителлурид молибдена — вещество, чья молекула состоит из одного атома молибдена (мягкого пластичного блестящего переходного металла серебристо-белого цвета) и двух атомов теллура (хрупкого редкого полуметалла аналогичного цвета). Результаты исследования опубликованы в журнале Diamond and Related Materials.
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: в исходном состоянии он не является полупроводником.
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.
Ученые для создания запрещенной зоны в графене обычно используют один из трех подходов, каждый из которых не лишен недостатков. Например, химическая модификация (фторирование или наводораживание) зачастую является необратимой: чтобы очистить графен от функциональных групп, нужны высокие температуры и агрессивные среды, которые повреждают его структуру. В свою очередь, механическая деформация или создание двухслойной гетероструктуры (в которой запрещенная зона открывается за счет межслоевого взаимодействия) слишком слабо воздействуют 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», — цитирует НИЯУ МИФИ профессора Константина Катина.
Чтобы решить проблему создания запрещенной зоны в графене, исследователи НИЯУ МИФИ 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, как уже отмечалось выше).
«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!» — приводит НИЯУ МИФИ слова Константина Катина.
