Учёные придумали, как повлиять на свойства графена

Исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж, Университета Теннесси и технологической корпорации Asylum Research, среди которых большинство наших соотечественников, разработали метод интерпретации изображений, полученных при помощи ближнепольной СВЧ-микроскопии для двумерных проводников. Он позволяет дать количественную характеристику проводимости в графене. Учёные рассчитывают, что это поможет связать условия получения графена с его свойствами, а эти знания, в свою очередь, позволят влиять на свойства графена, задавая определённые параметры для его синтеза

С момента открытия графена, которое, напомним, произошло в 2004 году, его свойства интенсивно изучаются. Оказалось, что по многим параметрам этот материал уникален – он почти идеально прозрачен, имеет высокие значения электропроводности и теплопроводности по сравнению с другими углеродными материалами. Благодаря этим свойствам его считают перспективной основой различных устройств, необходимых в современной жизни.

• С использованием графена учёные уже создают газовые сенсоры и различные композиты, а в электронике этот материал стал первым претендентом на замену кремния, на базе которого сегодня изготавливаются все микросхемы. В целом количество работ по возможному применению этого многообещающего материала растёт лавинообразно. Во многих из них графен рассматривается как основа для производства прозрачных электродов, которые, в свою очередь, могут найти применение в изготовлении современных сенсорных дисплеев и фотоэлементов.

Однако для того чтобы графен можно было использовать в этих устройствах, необходимо добиться ещё более высоких значений его электропроводности. Данное качество, как уже доказали учёные, обусловлено структурой материала: степенью поликристаличности, различными дефектами поверхности. Чтобы связать структуру и электропроводность, необходимо знать карту локальной проводимости графена. Это подразумевает определение значения электропроводности материала в каждой точке поверхности. Известен метод, позволяющий это сделать. Суть его состоит в том, что на поверхность материала накладывают электрод, максимально приближают измерительный зонд, т.е. второй электрод, и определяют сопротивление между ними. Такой способ измерения электропроводности искажает реальные данные, поскольку в этом случае её величина будет зависеть от свойств и структуры всей массы графена, которая находится между зондом и электродом на графеновой поверхности.

• Метод, разработанный данным коллективом, не требует использования второго электрода и обладает более высокой разрешающей способностью, вплоть до атомных размеров. Его главное преимущество в том, что он позволяет мерить проводимость точечно, непосредственно под сканирующим зондом.

Впрочем, пытаясь опробовать этот способ измерения на практике, исследователи столкнулись с некоторыми трудностями.

«Дело в том, что от одного участка поверхности графена к другому может меняться электрическое сопротивление, так как сканирующий зонд царапает поверхность из-за низкой механической стабильности материала, – поясняет один из авторов работы, выпускник Нижегородского государственного университета, а ныне профессор факультета физики и астрономии Университета Теннесси Александр Целев. – Чтобы предупредить это, мы покрыли материал слоем оксида алюминия, используя технологию атомно-слоевого осаждения».

Эта технология, практически аналогичнa методу парофазного химического осаждения (ПХО), позволяет выращивать листы какого-либо материала на различных подложках, помещаемых в пары материала-прекурсора, который, разлагаясь, производит на поверхности подложки слои нужного вещества. Заметим, что выращенный именно таким образом графен сегодня рассматривается производителями электроники как альтернатива чрезмерно дорогому индиево-оловянному оксиду (ITO), используемому в качестве материала для прозрачных электродов в экранах мониторов и телевизоров. Но пока такой графен не может полноценно заменить ITO, так как его проводимость всё ещё недостаточно высока.

• С помощью микроволновой микроскопии исследователи пытались выяснить, какие дефекты графена приводят к повышению электрического сопротивления, и выявить связь между методом получения графена, структурой его поверхности и свойствами.

«Мы пришли к выводу, что достаточно 4 нм плёнки оксида, чтобы стабилизировать поверхность графена и установить стабильную связь зонд – поверхность, – рассказывает Александр Целев. – Покрытый оксидной плёнкой графен исследовали с помощью СВЧ-микроскопии (способ, основанный на изучении взаимодействия электромагнитного поля зонда микроскопа с исследуемой поверхностью) и убедились, что графеновая поверхность неоднородна, состоит из хорошо различимых зёрен разной проводимости. Наблюдаемая структура микроплёнки отражает морфологию никелевой подложки, на которой выращивали графен».

• Для интерпретации данных учёные разработали специальный расчётный метод, который хорошо подходит для двумерных проводников. С его помощью можно успешно картировать дефекты поверхности материала и связанную с ними проводимость с разрешением до 50 нм, что превышает предел классического разрешения методов оптической микроскопии в десятки раз.

Такая информация может быть использована для оптимизации технологического процесса синтеза графена и последующего изготовления из него прозрачных электродов. Подобрав оптимальные условия получения графена, можно будет минимизировать количество дефектов его поверхности и получить высокопроводящий материал.

Источник

Alexander Tselev, Nickolay V Lavrik, Ivan Vlassiouk, Dayrl P Briggs, Maarten Rutgers, Roger Proksch, Sergei V Kalinin Near-field microwave scanning probe imaging of conductivity inhomogeneities in CVD graphene. Nanotechnology, Vol. 23, № 38

Шабельский Алексей

http://www.strf.ru/material.aspx?…