Открытый четыре года назад графен — первый истинно двумерный кристалл, состоящий из одного слоя углеродных атомов, — оказался всего лишь первой ласточкой из целого мира двумерных объектов. В недавно опубликованной в журнале Science статье [1] продемонстрирована возможность создавать новые химические соединения на базе графена. Измерения электронных и решеточных свойств подтверждают, что под воздействием водородной плазмы графен превращается в графан — ранее предсказанное теоретически соединение, в котором к каждому атому углерода присоединен атом водорода (см. рисунок). При этом подвижные пи-электроны, обеспечивающие проводимость в графене, связываются с водородом, так что графан оказывается обычным полупроводником с достаточно широкой энергетической щелью.
Зачем это нужно? Взрыв интереса к графену связан прежде всего с его двумерностью. Современная микроэлектроника, по сути, использует лишь поверхность полупроводниковых материалов, а объем, грубо говоря, — это ненужный (но, как думалось) неизбежный балласт, ограничивающий возможность дальнейшей миниатюризации. Графен представляет из себя одну сплошную поверхность без объема, что позволяет, теоретически, напихать в тот же объем куда большее количество транзисторов. Здесь, однако, есть одно «но». Специфический бесщелевой «киральный» характер электронного спектра в графене, который так радует теоретиков (он открыл возможность изучать в сравнительно простых экспериментах многие тонкие эффекты релятивистской квантовой механики, труднодостижимые в физике высоких энергий или в ядерной физике), весьма вреден для приложений. Так называемое «клейновское туннелирование» в графене, предсказанное нами два года назад и совсем недавно обнаруженное двумя группами экспериментаторов, не дает «запереть» графеновый транзистор — он оказывается всегда открытым. Нужна щель в электронном спектре. Ее можно создать, используя, например, размерное квантование в графеновых квантовых точках. Именно так работает «самый маленький в мире» одноэлектронный графеновый транзистор, о котором мы сообщили, тоже в Science, год назад (см. ТрВ № 2 за 2008 г., стр. 11). Но такой тип транзистора малопригоден для построения больших интегральных схем. Поэтому возможность получать на базе графена «обычные» щелевые полупроводники, продемонстрированная в нашей работе, крайне важна. Конечно, это лишь начало — существенно еще, чтобы новые материалы имели подходящую ширину энергетической щели (в графане она, похоже, великовата) и достаточно высокую электронную подвижность, но, как говорил один известный человек, по другому, впрочем, поводу, «процесс пошел».
После умеренного отжига, до 300-400 градусов Цельсия, как оказалось, водород можно удалить, восстановив свойства чистого графена. Это открывает перспективы использования графана в водородной энергетике, для хранения водорода (такая возможность ранее изучалась нами теоретически). Там важно иметь возможность сравнительно легко связывать и освобождать водород. Впрочем, пока все упирается в отсутствие эффективного и дешевого способа массового производства графена. Но мы работаем над этим, и, естественно, другие тоже. Я вполне оптимистичен. Не нужно забывать, что сама эта область исследований крайне молодая, так что, думаю, лучшее еще впереди.
Михаил Кацнельсон
[1] D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, and K. S. Novoselov. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane. Science 30 January 2009 323: 610-613 [DOI: 10.1126/science.1167130] (in Reports)