Новый метод позволил получить сверхчистый графен

Впервые выделенный в 2004 г., графен является наиболее изученным 2D-материалом, свойства которого описаны в тысячах научных статей. Однако при наличии загрязнения его выдающиеся электрические и механические характеристики быстро деградируют. Как выяснилось, проблемы загрязнения и создания электрических контактов взаимосвязаны. Графен не образует связей вне основной плоскости, что мешает созданию электрических контактов через поверхность, а также не дает использовать обычные 3D-изоляторы на основе оксидов для предохранения от внешнего загрязнения. Применение же 2D-изоляторов до сих пор не позволяло получать электрический доступ к полностью защищенному от внешней среды графену.

В инженерной школе Колумбийского университета (Columbia Engineering) разработана новая контактная архитектура устройств на основе 2D-материалов, которая впервые делает возможным электрическое подключение слоев атомарной толщины через одномерную грань.

Благодаря этому достижению стало возможным создание нового метода сборки слоистых материалов, предотвращающего загрязнение поверхностей раздела. Совместное использование этих двух технологий позволило получить графен самой высокой степени чистоты на сегодняшний день. Об итогах работы рассказывается в ноябрьском номере Science.

Полученный исследователями полностью изолированный графен представляет собой сэндвич из одного слоя этого материала, заключенного между двумя слоями нитрида бора. После создания такой структуры ученые разрезали ее, чтобы открыть край графенового слоя, и металлизировали его методом напыления.

«Вместо обычно практикуемого послойного выращивания, гибридные материалы теперь можно изготавливать механической сборкой составляющих их 2D-кристаллов, говорит соавтор статьи профессор Кен Шепард (Ken Shepard). — Никому больше не удалось успешно реализовать геометрию краевого контакта в чистом виде, применительно к 2D-материалам, таким как графен».

Как показали испытания, полученный одномерный интерфейс между активным 2D-слоем и объемным электродом обладает ничтожным контактным сопротивлением, 100 Ом на микрон длины контакта — меньше, чем у традиционных контактов, выходящих на верхнюю поверхность графена.

При комнатной температуре такой сверхчистый графен демонстрирует мобильность электронов вдвое выше, чем у любой обычной электронной 2D-системы. Кроме того, при низких температурах, электроны распространялись в экспериментальных образцах без рассеивания. Это явление, известное как баллистический транспорт, ранее наблюдалось в образцах, габаритами до одного микрометра. Теперь же эффект сохраняется и при длине в 20 раз больше, а в реальности, по словам участников работы, дальность баллистического транспорта теперь ограничивается только размерами самого устройства.

Технологии механической компоновки слоев и одномерного контакта могут быть использованы для создания других гибридных материалов, содержащих графен, нитрид бора, оксиды и дихалькогениды переходных материалов и топологические изоляторы. Перечень потенциальных приложений огромен и включает транзисторы с вертикальной структурой, устройства и сенсоры на туннельном эффекте и фотоактивные гибридные материалы для гибкой и прозрачной электроники.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365