Сочетание сканирующей электронной микроскопии и спектроскопических методик с атомным разрешением позволила американским исследователям обнаружить отдельные атомы кремния в легированном листе графена.

Использование новой методики позволяет определить, что атомы кремния, связанные с четырьмя атомами углерода, характеризуются плоской геометрией и находятся в состоянии sp2d-гибридизацией, в то время как для трехкоординированного атома кремния характерна sp3-гибридизация.

Данные экспериментов согласуются с результатами теоретического моделирования двумерных твердых систем и могут стать основой метода для изучения единичных загрязнений в графене и родственном ему материалах.

Стефан Пенникук(Stephen Pennycook) с коллегами поясняет, что экспериментальное изучение локальных структур и характеристик связи на атомном уровне является существенным достижением в химии материалов. Изучение того, каким образом загрязнения и легирующие добавки может подсказать важную информацию о способах модификации и соответствующего технологического применения широкого ряда полупроводниковых материалов, включая графен.

Исследователь подчеркивает, что для изучения подобных систем неоднократно использовались различные экспериментальные методы наряду с теорией функционала плотности (DFT). Однако, к сожалению, методы электронной микроскопии, применявшиеся до настоящего времени, не позволяли исследователям определять валентное состояние и тип связи для отдельных атомов в структуре двумерных твердых материалов – будь они загрязнениями или легирующими добавками.

Для решения этой проблемы исследователи скомбинировали спектроскопию потери электрона атомного разрешения и метод микроскопического изображения с помощью кольцевого тёмного поля, применяющуюся в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.

Исследователи продемонстрировали успешность этой комбинации, изучив свойства одного из наиболее распространенны типов загрязнений в графене, полученном в с помощью высокотемпературного осаждения паров, кремния.

Кремниевые включения появляются в графене из-за того, что этот элемент входит в состав кварцевых компонентов оборудования, применяющегося для высокотемпературного осаждения паров. Кремний может влиять на свойства графена, кроме этого в рамках перспектив интеграции электроники из графена с полупроводниковыми системами на основе кремния необходимо выяснить, каким образом ведет себя этот элемент в двумерной матрице из атомов углерода.

Результаты исследования позволяют не только определить, как ведет себя кремний (или другие включения) в атомной кристаллической решетке графена, но и говорят о том, что новая комбинированная методика может быть использована и для изучения других двумерных материалов или даже отдельных молекул.

Уте Кайзер (Ute Kaiser) из Университета Ульма высоко оценивает потенциальные перспективы, которые открывает новое исследование. Он отмечает, что

исследователи выполнили отличную работу, дальнейшим развитием которой может быть определение типов химического связывания в материалах подобного рода.