Алмазные острова в графеновом море

И алмаз, и графен обладают уникальным набором свойств, которые делают их крайне ценными для электроники. И хотя пока они находят там ограниченное применение, последние годы стали поворотным моментом для «алмазной» электроники, прежде всего благодаря прогрессу в создании стабильных транзисторов на основе алмаза. Например, в январе 2024 года исследователи из японского Национального института материаловедения (NIMS) сообщили о создании первого стабильного n‑канального полевого транзистора на основе алмаза. Устройство способно работать при температурах выше 300 °C, что значительно превышает предел кремниевых транзисторов.

А стойкость к воздействию радиации и потокам высокоэнергетичных частиц делают алмаз перспективным материалом для использования в космической и ядерной промышленности. И уже создана широкая гамма дискретных приборов — терморезисторы, болометры, детекторы и дозиметры ионизирующих излучений и т. п.

Ученые из МИФИ — доцент Алексей Подливаев и профессор Константин Катин — совершили прорыв в исследовании уникального двумерного материала диамана, который, по сути, является «двумерным алмазом». Результаты их работы, опубликованные в престижном научном журнале Diamond & Related Materials, описывают процесс, который может произвести революцию в создании электронных устройств нового поколения.

Диаманы представляют собой новый класс двумерных материалов, состоящих из алмазных пленок толщиной менее нанометра. Основная структура диамана образуется из двухслойного графена путем индуцированного давлением связывания двух монослоев. Усовершенствованная стратегия синтеза диамана включает химическую функционализацию атомов углерода, не участвующих в межслоевых связях. Это позволяет каждому атому углерода достичь четырехвалентного состояния. Использование водорода в качестве наиболее распространенной функциональной группы приводит к образованию полностью гидрированного диамана, C₂H. Водородная концевая группа обеспечивает высокую стабильность системы даже в отсутствие внешнего давления.

Доцент МИФИ Алексей Подливаев

Пресс-служба МИФИ

Особый интерес представляют механические характеристики этого материала. Выдающаяся твердость и уникальные электронные свойства диамана, включая широкую запрещенную зону, делают его идеальным диэлектриком для ультратонкой электроники.

Однако до сих пор оставался открытым вопрос, что происходит с диаманом при нагревании. Ученые МИФИ с помощью сложного компьютерного моделирования проследили этот процесс в мельчайших деталях. Выяснилось, что все начинается с отрыва одного атома водорода от поверхности материала. Этот процесс требует значительной энергии — 2,59 электрон-вольт, что объясняет высокую термостабильность диамана.

Профессор МИФИ Константин Катин

Пресс-служба МИФИ

Но самое интересное происходит дальше. Как только один атом водорода покидает свое место, процесс становится необратимым. Образовавшаяся «вакансия» создает зону напряжения, которая провоцирует отрыв соседнего атома водорода, но уже с противоположной стороны углеродного «сэндвича». Так формируется «дивакансия». «Мы обнаружили, что после образования дивакансии начинается цепная реакция, — поясняют ученые. — Атомы водорода вблизи этого дефекта начинают покидать свои места один за другим, и область “обезвоживания” растет как снежный ком».

В этих дегидрированных областях межслойные алмазные связи между графеновыми слоями разрываются, и материал превращается в обычный диэлектрический биграфен. При этом окружающие области, где водород сохраняется, продолжают оставаться диаманом. Так в рамках одного материала возникает наноструктура, сочетающая в себе проводящие и диэлектрические свойства. Как объяснил Константин Катин, современные чипы обычно состоят из нескольких материалов — кремния, меди, алюминия, оксидов и других компонентов. На границах между ними могут возникать нежелательные эффекты, тогда как использование одного материала с возможностью переключения между проводящим и изолирующим состоянием выглядит более перспективным.

Кульминацией исследования стало определение минимального размера стабильного «островка» диамана. Ученые выяснили, что для сохранения алмазных свойств достаточно всего лишь... восьми атомов водорода! Такой наноразмерный домен, диаметром всего 0,3 нанометра, может служить своего рода квантовой точкой — основой для будущих сверхминиатюрных электронных компонентов.

«Частично дегидрированный диаман, содержащий как диэлектрические домены диамана, так и проводящие области биграфена, может стать ключевым материалом для полностью углеродной 2D-наноэлектроники», — заключают авторы исследования.

Открытие российских ученых показывает, что диаман — это не просто экзотический материал, а гибкая платформа для создания гетероструктур с заранее заданными свойствами. Возможно, именно такие «алмазные островки» в «графеновом море» станут основой для электроники следующего поколения, которая будет быстрее, тоньше и эффективнее современных кремниевых устройств.

По материалам пресс-службы МИФИ