Исследователи из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» раскрыли механизм превращения двумерного алмаза в графен. Открытие открывает путь к созданию гибридных материалов для наноэлектроники будущего.
Ученые МИФИ - доцент Алексей Подливаев и профессор Константин Катин совершили прорыв в исследовании уникального двумерного материала – диамана. Результаты их работы, опубликованные в престижном научном журнале Diamond & Related Materials, описывают процесс, который может произвести революцию в создании электронных устройств нового поколения.
Диаман, по сути, является «двумерным алмазом». Его структура состоит из двух слоев графена, соединенных между собой прочными химическими связями, как в обычном алмазе. Это придает материалу выдающуюся твердость и уникальные электронные свойства, включая широкую запрещенную зону, что делает его идеальным диэлектриком для ультратонкой электроники.
Однако до сих пор оставался открытым вопрос о том, что происходит с диаманом при нагревании. Ученые МИФИ с помощью сложного компьютерного моделирования проследили этот процесс в мельчайших деталях . Выяснилось, что всё начинается с отрыва одного атома водорода от поверхности материала. Этот процесс требует значительной энергии – 2,59 электрон-вольт, что объясняет высокую термостабильность диамана.
Но самое интересное происходит дальше. Как только один атом водорода покидает свое место, процесс становится необратимым. Образовавшаяся «вакансия» создает зону напряжения, которая провоцирует отрыв соседнего атома водорода, но уже с противоположной стороны углеродного «сэндвича». Так формируется «дивакансия» – своего рода катализатор для дальнейшей деградации материала.
«Мы обнаружили, что после образования дивакансии начинается цепная реакция, – поясняют ученые. - Атомы водорода вблизи этого дефекта начинают покидать свои места одна за другой, и область "обезвоживания" растет как снежный ком».
Время десорбции τ для первого (красный) и второго (синий) атомов водорода как функция обратной температуры 1/T. Для каждой температуры представлено только среднее время, усредненное по 8 независимым запускам молекулярно-динамического моделирования. Стрелками показаны стандартные отклонения. Линии представляют собой линейную аппроксимацию представленных точекВ этих дегидрированных областях межслойные алмазные связи между графеновыми слоями разрываются, и материал превращается в обычный диэлектрический биграфен. При этом окружающие области, где водород сохраняется, продолжают оставаться диаманом. Так в рамках одного материала возникает наноструктура, сочетающая в себе проводящие и диэлектрические свойства.
Кульминацией исследования стало определение минимального размера стабильного «островка» диамана. Ученые выяснили, что для сохранения алмазных свойств достаточно всего лишь... 8 атомов водорода! Такой наноразмерный домен, диаметром всего 0,3 нанометра, может служить своего рода квантовой точкой – основой для будущих сверхминиатюрных электронных компонентов.
«Частично дегидрированный диаман, содержащий как диэлектрические домены диамана, так и проводящие области биграфена, может стать ключевым материалом для полностью углеродной 2D-наноэлектроники», – заключают авторы исследования.
Открытие российских ученых показывает, что диаман – это не просто экзотический материал, а гибкая платформа для создания гетероструктур с заранее заданными свойствами. Возможно, именно такие «алмазные островки» в «графеновом море» станут основой для электроники следующего поколения, которая будет быстрее, тоньше и эффективнее современных кремниевых устройств.
Атомная структура элементарной ячейки C96H48. Коричневые и синие шарики обозначают атомы углерода и водорода соответственно