Учёные придумали, как повлиять на свойства графена

Исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж, Университета Теннесси и технологической корпорации Asylum Research, среди которых большинство наших соотечественников, разработали метод интерпретации изображений, полученных при помощи ближнепольной СВЧ-микроскопии для двумерных проводников. Он позволяет дать количественную характеристику проводимости в графене. Учёные рассчитывают, что это поможет связать условия получения графена с его свойствами, а эти знания, в свою очередь, позволят влиять на свойства графена, задавая определённые параметры для его синтеза.

С момента открытия графена, которое, напомним, произошло в 2004 году, его свойства интенсивно изучаются. Оказалось, что по многим параметрам этот материал уникален – он почти идеально прозрачен, имеет высокие значения электропроводности и теплопроводности по сравнению с другими углеродными материалами. Благодаря этим свойствам его считают перспективной основой различных устройств, необходимых в современной жизни.

С использованием графена учёные уже создают газовые сенсоры и различные композиты, а в электронике этот материал стал первым претендентом на замену кремния, на базе которого сегодня изготавливаются все микросхемы. В целом количество работ по возможному применению этого многообещающего материала растёт лавинообразно. Во многих из них графен рассматривается как основа для производства прозрачных электродов, которые, в свою очередь, могут найти применение в изготовлении современных сенсорных дисплеев и фотоэлементов.

Однако для того чтобы графен можно было использовать в этих устройствах, необходимо добиться ещё более высоких значений его электропроводности. Данное качество, как уже доказали учёные, обусловлено структурой материала: степенью поликристаличности, различными дефектами поверхности. Чтобы связать структуру и электропроводность, необходимо знать карту локальной проводимости графена. Это подразумевает определение значения электропроводности материала в каждой точке поверхности. Известен метод, позволяющий это сделать. Суть его состоит в том, что на поверхность материала накладывают электрод, максимально приближают измерительный зонд, т.е. второй электрод, и определяют сопротивление между ними. Такой способ измерения электропроводности искажает реальные данные, поскольку в этом случае её величина будет зависеть от свойств и структуры всей массы графена, которая находится между зондом и электродом на графеновой поверхности.

Метод, разработанный данным коллективом, не требует использования второго электрода и обладает более высокой разрешающей способностью, вплоть до атомных размеров. Его главное преимущество в том, что он позволяет мерить проводимость точечно, непосредственно под сканирующим зондом.

Впрочем, пытаясь опробовать этот способ измерения на практике, исследователи столкнулись с некоторыми трудностями.

«Дело в том, что от одного участка поверхности графена к другому может меняться электрическое сопротивление, так как сканирующий зонд царапает поверхность из-за низкой механической стабильности материала, – поясняет один из авторов работы, выпускник Нижегородского государственного университета, а ныне профессор факультета физики и астрономии Университета Теннесси Александр Целев. – Чтобы предупредить это, мы покрыли материал слоем оксида алюминия, используя технологию атомно-слоевого осаждения».

Эта технология, практически аналогичная методу парофазного химического осаждения (ПХО), позволяет выращивать листы какого-либо материала на различных подложках, помещаемых в пары материала-прекурсора, который, разлагаясь, производит на поверхности подложки слои нужного вещества. Заметим, что выращенный именно таким образом графен сегодня рассматривается производителями электроники как альтернатива чрезмерно дорогому индиево-оловянному оксиду (ITO), используемому в качестве материала для прозрачных электродов в экранах мониторов и телевизоров. Но пока такой графен не может полноценно заменить ITO, так как его проводимость всё ещё недостаточно высока.

С помощью микроволновой микроскопии исследователи пытались выяснить, какие дефекты графена приводят к повышению электрического сопротивления, и выявить связь между методом получения графена, структурой его поверхности и свойствами.

«Мы пришли к выводу, что достаточно 4 нм плёнки оксида, чтобы стабилизировать поверхность графена и установить стабильную связь зонд – поверхность, – рассказывает Александр Целев. – Покрытый оксидной плёнкой графен исследовали с помощью СВЧ-микроскопии (способ, основанный на изучении взаимодействия электромагнитного поля зонда микроскопа с исследуемой поверхностью) и убедились, что графеновая поверхность неоднородна, состоит из хорошо различимых зёрен разной проводимости. Наблюдаемая структура микроплёнки отражает морфологию никелевой подложки, на которой выращивали графен».

Для интерпретации данных учёные разработали специальный расчётный метод, который хорошо подходит для двумерных проводников. С его помощью можно успешно картировать дефекты поверхности материала и связанную с ними проводимость с разрешением до 50 нм, что превышает предел классического разрешения методов оптической микроскопии в десятки раз.

Такая информация может быть использована для оптимизации технологического процесса синтеза графена и последующего изготовления из него прозрачных электродов. Подобрав оптимальные условия получения графена, можно будет минимизировать количество дефектов его поверхности и получить высокопроводящий материал.

Источник: сайт STRF.ru