Графен проводит электричество в 10 раз лучше, чем предсказывала теория

Электроны (синие в представлении художника) почти беспрепятственно путешествуют вдоль полосок графена (чёрные), выращенных на карбиде кремния (жёлтые атомы)
(иллюстрация John Hankinson/Georgia Tech).

Физики создали наноленты графена толщиной в один атом углерода, которые проводят электроны лучше, чем это предсказывалось теоретическими моделями даже для самой идеализированной формы материала.

В графене электроны при комнатной температуре способны двигаться быстрее, чем в любом другом материале. Понято, что подобная проводимость очень интересна учёным. Однако для формирования впечатляющей проводимости необходимо создавать узкие ленты графена. Команда во главе с физиком Уолтом де Хеером (Walt de Heer) из Технологического института Джорджии создала ленты, в которых электроны способны пробегать более 10 микрометров, не рассеиваясь и не встречая сопротивления (то есть, не сталкиваясь с атомами углерода и другими электронами). Это в тысячу раз дальше, чем в других нанолентах, созданных из графена.

Ленты команды де Хеера в деле проведения электронов по качественным характеристикам в десятки раз превосходят те, что были предсказаны теоретическими моделями с учётом стандартных теорий электрической проводимости. Такое практически беспрепятственное движение означает, что схемы способны передавать сигналы быстрее и без перегрева элементов, характерных для типичных полупроводниковых чипов.

Вместо того чтобы создать сначала широкие листы графена, а затем разрезать их на ленты, исследователи вырастили графен на боковых стенках кусков карбида кремния − материала, уже достаточно широко используемого в электронике. Затем исследователи нагрели полученную систему более чем до 1000 градусов Цельсия. Атомы кремния в этом случае улетучиваются, и остаются 40-нанометровые ленты графена. Такой подход помогает создать ровную ленту без грубых краёв и спаек, способных рассеять электроны.

В результате электроны движутся по ленте подобно тому, как свет проходит по оптическому волокну, а не так как заряженные частицы в стандартном проводнике. Такой режим движения электронов получил название баллистического.

Данное открытие может помочь реализовать потенциал графена в электронике высокого класса. Исследователи уже давно надеются, что он сможет превзойти традиционные материалы (такие как широко используемый кремний). Впрочем, не все учёные считают, что у открытия есть будущее в цифровых технологиях.

"Годы теоретической работы показали, что из-за несовершенств в строении материала высокоскоростная проводимость быстро нарушается. Если бы исследователи изучили ленты большей длины, они бы заметили эти эффекты, – считает Антонио Кастро Нето (Antonio Castro Neto), глава Центра исследований графена при национальном университете Сингапура. – Это неизбежно. К сожалению, графен − не тот материал, который следует использовать в цифровых технологиях. Возможно, вместо него следует порекомендовать новые полупроводниковые материалы, такие, как фосфорен".

Почему же ленты графена проводят электроны лучше, чем это было предсказано теоретическими моделями, до сих пор остаётся для физиков загадкой.

"Мне кажется, дело просто в иной физике этого материала", — комментирует де Хеер. Но прежде чем строить новые теории, необходимо проверить: возможно, ленты графена просто-напросто обладают лучшей структурой, нежели ожидали физики-теоретики.

Если предполагать, что результаты группы де Хеера верны, то учёным ещё предстоит найти способ создать те самые более длинные графеновые ленты, о которых говорил Антонио Кастро Нето. Кроме того, практическое применение графена в качестве проводника требует решения ряда других проблем. Например, известно, что даже молекулы воды из воздуха могут изменять свойства графена. Это может стать серьёзным препятствием на пути широкого использования уникального материала.

Подробности работы де Хеера были опубликованы в издании Nature.

Также по теме:
Транзисторы из графена обеспечили радиочипу IBM рекордную производительность
Графен в сочетании с металлом образует сверхпрочный материал
Физики научились включать и выключать магнитное поле графена
Безопасное покрытие на основе графена защитило металл от ржавчины
Ультрапрочный материал станет основой презервативов будущего
Открыта способность графена восстанавливать свою структуру

Сегодня