2234 подписчика

Максим Беленков: "Современная наноэлектроника нуждается в новых материалах"

7 апреля 20227 апр 2022

6 мин

Физики Челябинского государственного университета уже давно занимаются изучением графена.

Аспирант кафедры радиофизики и электроники Максим Беленков несколько лет погружён в эту перспективную тему, а сейчас молодой учёный исследует полиморфные разновидности функционализированного графена, черпая вдохновение в исследованиях своего отца – безвременно ушедшего в прошлом году профессора кафедры физики конденсированного состояния Евгения Беленкова.

— Максим, почему именно графен?

Графен привлекает внимание исследователей благодаря качествам, которые делают его модификации перспективными материалами для применения в различных областях. Материал обладает замечательной электропроводностью и теплопроводностью, эластичностью, почти полной оптической прозрачностью. Графен прочен, он в 200 раз прочнее стали. И это далеко не все его интересные свойства! В целом, даже свойства самого графена достаточно удивительны, чтобы о них можно было долго говорить, и именно это делает его перспективным материалом для модифицирования, в частности – для функционализации. Например, в 2018 году было обнаружено наличие сверхпроводимости в двухслойном графене с взаимным поворотом слоёв на 1.1 градус.

Полиморфные разновидности функционализированного графена необходимы сегодня для создания самых разнообразных высокопроизводительных электронных устройств. Вместе с тем, области применения материала, изучаемого физиками ЧелГУ, не ограничиваются электроникой.

— Где ещё могут применяться полиморфные разновидности графена, которые вы исследуете в своей научной работе?

Графан, то есть графен, функционализированный водородом, может применяться для хранения водорода. А фторографен может применяться для создания биомаркеров, датчиков газа и смазочных материалов. И это далеко не полный перечень возможных областей применения полиморфных разновидностей функционализированного графена, исследования которых ведутся учёными по всему миру, в том числе и в ЧелГУ.

Работа по изучению функционализированного графена уже была отмечена грантом РФФИ в 2020 году.

— Каких результатов вам удалось достичь за время исследования?

Были проведены исследования структур и электронных свойств новых полиморфных разновидностей функционализированного графена. Кроме изучения структуры и электронных свойств полиморфных разновидностей этого материала, функционализированных неуглеродными атомами, проводилось моделирование зависимости свойств от концентрации атомов фтора, а также расчёт структуры кристаллов из монослоёв фторографена, для которого был разработан новый метод и написана программа. В соответствии с полученными данными был сделан ряд выводов, в том числе о том, что энергия сублимации изученных соединений зависит от степени деформированности структуры в сравнении с идеальной. Чем больше деформация структуры, тем меньше её энергия сублимации. Чем меньше энергия сублимации, тем менее устойчиво соединение. Результаты исследования были представлены в виде докладов на конференциях, был опубликован ряд статей.

Новый этап научной работы, теперь по гранту ЧелГУ, продолжит начатое направление исследований. Физики продолжат изучение электронных свойств модификаций графена.

— Какие свойства вам удалось получить и как их можно использовать на практике?

Обычный слой графена, при всей его замечательной электропроводности, не имеет запрещённой зоны. А для использования материала в наноэлектронике необходимо добиться её наличия. В ходе проведённого моделирования свойств различных разновидностей графена, функционализированного неуглеродными атомами, был не только достигнут успех в создании запрещённой зоны, но и были рассчитаны структура, а также электронные свойства различных разновидностей функционализированного графена. Таким образом, наше исследование – это важный шаг в применении графена при создании различных наноэлектронных устройств.

В настоящее время учёные ЧелГУ работают над проблемой создания запрещённой зоны в графене, что позволит широко использовать исследованные материалы в электронике.

— Как проходил сам процесс модификации графена?

В качестве основы для модификации использовались ранее исследованные структурные разновидности графена. Неуглеродные атомы присоединялись к слоям с двух сторон, чтобы сохранить двумерную структуру листа графена. Не все соединения оказались устойчивыми при присоединении неуглеродных атомов: ряд структур распался на отдельные атомы. В ходе исследований рассматривались лишь соединения с устойчивой структурой.

— С какими сложностями в процессе изучения и изменения свойств графена довелось столкнуться?

В ходе исследования возникла необходимость расчёта структуры кристаллов, составленных из слоёв функционализированного фтором графена. Использованные ранее методы плохо подходили для расчётов молекулярных кристаллов, трёхмерная структура которых формируется силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому возникла необходимость разработки нового метода расчётов, комбинирующего имеющиеся методы. Далее возникла проблема отсутствия необходимых коэффициентов для исследуемых материалов, поэтому коэффициенты были самостоятельно найдены из набора практических данных, а затем результаты расчётов с найденными коэффициентами были сопоставлены с практическими исследованиями, что позволило подтвердить корректность метода для данного набора атомов.

— Каких важных результатов уже удалось достичь?

Закон Мура гласит: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Речь идёт о тех самых элементах, которые используются сегодня в цифровой электронике, применяемой нами в повседневной жизни. Это и элементы компьютеров, и смартфоны, и видеокамеры, и многое другое. Согласно закону Мура, размеры элементов будут продолжать уменьшаться, а значит, человечеству необходимы новые материалы, которые будут удовлетворять потребностям электроники.

Наши исследования направлены среди прочего на изучение электронных свойств разновидностей функционализированного графена. В частности – на создание запрещённой зоны в графене, что позволит использовать исследованные материалы в электронике и сможет обеспечить дальнейшее соблюдение закона Мура. Кроме того, у нас в ЧелГУ разработан новый метод расчётов структуры кристаллов, для которых не подходят имеющиеся методы. Все исследованные разновидности обладают различными свойствами, что может обеспечить их применение в различных областях.

Что же это такое – графен?

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp2-гибридизации и соединены посредством - и -связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость слоистого графита, отделённую от объёмного кристалла.

Графен – очень тонкий материал, он в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов. В 3 тыс. раз тоньше бактерии. В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов, прочнее стали и алмаза.

Графен обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество, как проводники. У него высокая подвижность носителей заряда внутри материала, поэтому в фото- и видеотехнике графен обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен был обнаружен Андреем Геймом и Константином Новосёловым, когда они изучали проводимость графита. За это открытие учёным присудили Нобелевскую премию по физике.

Графен вполне может стать стимулом нового витка человеческой цивилизации. Кремниевая элементная база, на которой создаётся современная техника, уже подходит к своему технологическому и физическому пределу, а графен может стать альтернативой.

Графен способен произвести революцию и в энергетике. Он даёт возможность получать энергию новым способом, поскольку обладает возможностью пропускать позитивно заряженные атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода. Это открывает невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода.