Учёные придумали метод легирования чистого графена

Устройство, на котором вы прочитаете эту статью, появилось в результате кремниевой революции. Возможно, пришло время графеновой революции.

Современная электроника основана на кремнии, токопроводящая способность которого управляется с помощью процесса, называемого легированием. В ходе легирования полупроводника меняется концентрация носителей заряда — отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных дырок — за счёт введения примесей. 

Однако трехмерная решетка кремния уже слишком велика для электроники следующего поколения — она опирается на ультратонкие транзисторы и гибкие биодатчики, которые можно носить на себе или имплантировать в собственное тело. Чтобы уменьшить толщину электроники, исследователи экспериментируют с материалами, имеющими атомарную толщину — в частности, с графеном. Но метод легирования трехмерного кремния, испытанный годами, не работает с двумерным графеном, состоящим из одного слоя атомов углерода, который не проводит ток в чистом виде.

Чтобы избежать классического процесса легирования, команда исследователей попробовала наносить «слой переноса заряда», предназначенный для добавления или забора электронов из графена. Предыдущие методы использовали «грязные» материалы в своих слоях переноса заряда; примеси в них оставляли графен неравномерно легированным, что препятствовало его способности проводить электричество.

Путем окисления одноатомного слоя другого двумерного материала, селенида вольфрама, команда создала «чистый» слой леганда — оксиселенида вольфрама. Когда он был нанесен на графен, оказалось, что в графене остались токопроводящие «дырки». Добавление нескольких атомных слоев селенида вольфрама между оксиселенидом вольфрама и графеном помогло лучше «подстроить» его электропроводность.

Благодаря этому подвижность носителей заряда оказалась выше по сравнению с предыдущими попытками легирования. Добавление разделительных слоёв селенида вольфрама еще больше увеличило подвижность — на этом этапе влияние исходного слоя оксиселенида вольфрама отошло на второй план и подвижность носителей заряда стала определяться лишь внутренними свойствами самого графена. Такое сочетание легирования и высокой подвижности обеспечивает графену большую электропроводность, чем у меди!

Чем лучше легированный графен проводил электричество, тем более прозрачным он становился. Это связано с явлением, называемым блокировкой Паули — электроны не позволяют материалу поглощать свет. Это связано с принципом запрета Паули — энергии фотона становится недостаточно для перевода электрона в незанятое состояние, при этом переход в другое состояние запрещен.

В инфракрасном диапазоне длин волн графен стал прозрачным более чем на 99 процентов. Такой высокий уровень прозрачности и проводимости важен для передачи информации с помощью устройств фотоники — если поглощается слишком много света, информация теряется.

Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.