Извилистые границы доменов превращают графен в полупроводник

Графен, аллотропную форму углерода толщиной в один атом, обычно получают методом химического осаждения из газовой фазы. При этом, углеродная плоскость образуется путем соединения границ растущих отдельно фрагментов — доменов.

Встречаясь, домены не обязательно ориентированы одинаково, на интерфейсе происходит согласование их гексагональных структур. Расхождение углов компенсируют цепочки с периодическими включениями пяти- и семизвенных колец атомов углерода.

Расчеты, выполненные командой физика-теоретика Бориса Якобсона (Boris Yakobson) в Университете Райса (штат Техас), свидетельствовали, что кольца с семью атомами углерода могут играть роль слабого звена, снижающего легендарную прочность графена.

Однако дальнейшие исследования этого же коллектива показали, что в некоторых случаях поликристаллическая плоскость с извилистой межзеренной границей всё же может быть сопоставима по прочности с идеальным графеном. Более того, согласно статье, опубликованной в Advanced Functional Materials, такие плоскости могут обладать значительной запрещенной зоной, т.е. качествами полупроводника, необходимыми для управления баллистическим транспортом электронов в графене.

«Если напряжение на границе раздела ослабляется, прочность графена может быть увеличена. Но это справедливо только для синусоидальных границ зерен в сравнении с прямыми границами», — отметил сотрудник Якобсона, Чжухуа Чжан (Zhuhua Zhang).

Для того, чтобы воспользоваться рекомендациями физиков Райса, технологам потребуется изобрести способ выращивания поликристаллического графена с заданной рассогласованностью структур соседних зерен. Это сложно, но не невозможно. Якобсон предлагает гипотетический путь достижения этого — использование в качестве шаблона подложки из поликристаллического металла с нужной ориентацией зерен. Возникающие на этих зернах островки углерода смогут наследовать ориентацию основы.