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 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. Гра-фен 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, около года назад (см. «Троицкий вариант» № 2N). 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
Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane D.C.Elias, R.R.Nair, T. M.G. ohiuddin, S.V.Morozov, P.Blake, M.P.Halsall, A.C.Ferrari, D.W.Boukhvalov, M.I.Katsnelson, A.K.Geim, and K.S.Novoselov Science 30 January 2009 323: 610-613 [DOI: 10.1126/ science.1167130] (in Reports)