Физики научились превращать графен в полупроводник

Ученые из Америки и Кореи научились превращать графен в полупроводник путем внедрения в решетку из атомов углерода атомов азота, добавляя аммиак в ту газовую среду, где выращивались графеновые пленки. Об этом открытии сообщается в журнале Science.

Абхай Пасупатхи (Abhay Pasupathy), руководитель объединенной группы ученых, считает, что совершенствование этой методики позволит заменить кремний графеном, используя его в качестве строительного материала для электронных устройств.

Пасупатхи и его коллеги добавили небольшое количество аммиака в смесь из метана и водорода, из которой выращивается графен. Спустя некоторое время на фольге из меди (где осаждаются атомы углерода) образовалась тонкая пленка из углерода и небольших вкраплений атомов азота.

По результатам анализа полученных пленок авторами было выявлено несколько интересных свойств.

Два новых пика в спектрограмме рассеивания света на пленке графена указали на присутствие инородных атомов в углеродной решетке. Наличие азота в пленке подтвердила и фотоэлектронная спектроскопия (определение химического состава через рентгеновское излучение и фотосенсоры).

Электроны вставленных в пленку атомов азота образуют три разных по цвету электронных облака, которые связаны с тремя соседними атомами углерода. Вокруг атомов азота скапливается частично отрицательный заряд, в то время как вокруг атомов углерода – частично положительный (потому что азот лучше притягивает свободные электроны, чем это делает углерод).

Ученым удалось сфотографировать поверхность полученной пленки с помощью туннельного микроскопа – устройства, которое измеряет неровности поверхности на атомарном уровне. На практически ровной поверхности решетки были обнаружены небольшие вздутия – атомы азота, – распределенные равномерно по всей поверхности. На 300 атомов углерода в среднем приходился 1 атом азота. Ученые полагают, что атомы азота просто «выбили» углерод из решетки и заняли его позиции.

Каждый атом азота, по результатам анализа, добавляет по 0,42 свободных электрона в графеновую решетку, что объясняется взаимодействием соседних атомов азота и углерода, которое дестабилизировало положение электронов в ближайших узлах решетки, что привело к частичному утрачиванию ими подвижности.

Таким образом, в полученных новых решетках присутствуют два обязательных элемента полупроводников – свободные электроны и атомы азота с незанятыми орбиталями, к которым эти электроны могут быть присоединены.