Сотрудники и аспиранты МФТИ на базовой кафедре «Физика и химия наноструктур» ФМХФ в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов исследовали поглощение водорода графеновыми нанолентами. В будущем этот процесс может стать основой для синтеза квантовых точек и создания транзисторов на основе графена, что будет прорывом в наноэлектронике. Работа опубликована в журнале Nanotechnology.
Квантовая точка — микроскопическая частица полупроводника. За счет того, что она имеет относительно небольшие размеры (порядка десятка нанометров), значительный вклад в ее свойства вносят квантовые эффекты. В частности, уровни энергии квантовых точек дискретны, как в отдельно взятом атоме, за счет чего они являются очень качественными флуоресцентными красителями. Квантовые точки дают очень однородный свет, их можно использовать в сочетании с разными реагентами для биомедицинских исследований — например, для подкрашивания раковых опухолей, причем прямо во время операций! Более того, квантовые точки на сегодня пытаются применять для создания светодиодов и солнечных батарей, поэтому неудивительно, что связанные с их синтезом вопросы привлекают внимание ученых по всему миру.
Наноматериалы: когда «нано» — не просто дань моде
Новые материалы на основе углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен — недаром называют наноматериалами. Особенности внутреннего строения углерода позволяют исследователям создавать структуры разной размерности: так, например, графен — двумерный материал, а нанотрубки — одномерный. «Игра» с размерностью существенно влияет на свойства получаемых материалов: графен, например, по физико-химическим свойствам является полуметаллом, занимая промежуточное положение между металлами и полупроводниками, а еще обладает рядом уникальных свойств, делающих его особенно привлекательным для микроэлектроники.
Однако природа проводимости графена не позволяет в чистом виде применять его в наноэлектронике, и поэтому при разработке перспективных устройств активно исследуются различные его модификации. Например, из графена делают графеновые наноленты: узкие (не более десяти нанометров) и длинные полоски графена. Если такие графеновые ленты покрыть атомами водорода, то они не только превратятся в полупроводники, но и заодно могут оказаться квантовыми точками.
«Квантовая точка — это часть проводника или полупроводника, в котором электроны ограничены по всем трем измерениям. В графеновой наноленте, в силу геометрии, уже существует ограничение в двух направлениях, таким образом, посредством адсорбции водорода на поверхность ленты достаточно создать потенциальный барьер для электронов в оставшемся направлении», — комментирует Дмитрий Квашнин, один из авторов опубликованной работы.
В своей работе ученые моделировали последовательную адсорбцию отдельных атомов водорода на графеновые наноленты различной ширины (порядка 10-40 Å) и конфигурации (типа «кресло» и «зигзаг», разница между ними показана на рисунке ниже) с гидрированными краями. Компьютерное моделирование проводилось в рамках так называемого приближения сильной связи, основанного на предположении, что электроны в узлах кристаллической решетки являются изолированными. Широко используемое в физике и химии твердого тела приближение сильной связи показывает хорошие результаты в вычислениях систем с ковалентными связями. Ранее другими группами ученых было показано, что используемый алгоритм находится в хорошем согласии с более точными методами вычислений ab initio (лат. «от начала»), которые для небольших систем чаще всего численно решают систему уравнений Шрёдингера.
Уравнения Шредингера — дифференциальные уравнения, которые позволяют выяснить, как ведет себя волновая функция системы. К сожалению, во многих случаях нельзя просто взять и решить уравнение Шредингера из-за разного рода ограничений.
Кресло и зигзаг
Для нанолент обеих конфигураций в процессе моделирования было показано, что энергия связывания с атомами водорода уменьшается по мере увеличения концентрации атомов водорода и становится отрицательной, что говорит о том, что атомам водорода энергетически выгодно быть связанными с поверхностью наноленты (предполагалось, что адсорбируются именно отдельные атомы). Более того, учеными было найдено принципиальное различие в механизмах адсорбции для разных конфигураций нанолент.
Так, наноленты конфигурации «зигзаг» ведут себя следующим образом: поначалу атомы водорода предпочитают присоединяться к граничным атомам углерода из-за наличия у них оборванных связей. При дальнейшем увеличении концентрации водорода энергия связывания становится отрицательной (относительно энергии изолированного атома водорода), и формирование «водородной дорожки» идет вдоль границы. Затем атомы водорода формируют «остров» на наноленте при достижении примерно половины ее длины. Границы «острова» по форме повторяют границы ленты, а потом увеличение концентрации приводит к тому, что гидрированная область снова начинает расти поперек ленты к противоположной ее границе.
Совершенно по-другому ведут себя наноленты типа «кресло». Физики выяснили, что в этом случае, вне зависимости от ширины лент, водород поначалу также присоединяется к краям, но при достижении пороговой концентрации газа (при которой энергия связывания водорода с лентой становится меньше, чем энергия изолированного атома) начинает формировать ярко выраженную «тропинку» к противоположной стороне. Как только «тропинка» достигает границы, начинает формироваться новая, тоже заканчивающаяся на границе, и так далее.
Понимание того, как именно атомы водорода оседают на графеновые ленты, важно для разработки эффективной технологии синтеза графеновых квантовых точек, о перспективах которых сказано выше. Кроме того, изучавшиеся учеными наноленты могут оказаться полезными и для создания графеновых транзисторов: теоретически, такие транзисторы должны быть быстрее и эффективнее обычных. Если удастся преодолеть ряд проблем, связанных с переходом от единичных прототипов к промышленному производству, графен имеет неплохие шансы вытеснить кремний.
Работа была выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, а также стипендии Президента России для молодых ученых и аспирантов. Авторы благодарят профессора Леонида Александровича Чернозатонского и д. ф.-м. н. Павла Борисовича Сорокина за плодотворные дискуссии. Вычисления проводились с использованием суперкомпьютеров «Чебышев» и «Ломоносов» Московского государственного университета.
Ссылка на оригинальную статью:
Alexander G Kvashnin, Olga P Kvashnina, Dmitry G Kvashnin, Hydrogen adsorption study. Formation of quantum dots on graphene nanoribbons within tight-binding approach // Nanotechnology
http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/26/17/175704
