На стр.12.
Открытый четыре года назад графен – первый истинно двумер-
ный кристалл, состоящий из одного слоя углеродных атомов,
– оказался всего лишь первой ласточкой из целого мира дву-
мерных объектов. В недавно опубликованной в журнале Science ста-
тье продемонстрирована возможность создавать новые химические
соединения на базе графена. Измерения электронных и решеточных
свойств подтверждают, что под воздействием водородной плазмы
графен превращается в графан – ранее предсказанное теоретически
соединение, в котором к каждому атому углерода присоединен атом
водорода (см. рисунок). При этом подвижные пи-электроны, обе-
спечивающие проводимость в графене, связываются с водородом,
так что графан оказывается обычным полупроводником с достаточно
широкой энергетической щелью.
Зачем это нужно? Взрыв интереса к графену связан прежде всего с
его двумерностью. Современная микроэлектроника по сути исполь-
зует лишь поверхность полупроводниковых материалов, а объем,
грубо говоря, – это ненужный, но, как думалось, неизбежный балласт,
ограничивающий возможность дальнейшей миниатюризации. Гра-
фен представляет из себя одну сплошную поверхность без объема,
что позволяет, теоретически, напихать в тот же объем куда большее
количество транзисторов.
Здесь, однако, есть одно «но». Специфический бесщелевой «кираль-
ный» характер электронного спектра в графене, который так радует
теоретиков (он открыл возможность изучать в сравнительно простых
экспериментах многие тонкие эффекты релятивистской квантовой ме-
ханики, труднодостижимые в физике высоких энергий или в ядерной
физике), весьма вреден для приложений. Так называемое «клейнов-
ское туннелирование» в графене, предсказанное нами два года назад
и совсем недавно обнаруженное двумя группами экспериментаторов,
не дает «запереть» графеновый транзистор – он оказывается всегда
открытым. Нужна щель в электронном спектре. Ее можно создать, ис-
пользуя, например, размерное квантование в графеновых квантовых
точках. Именно так работает «самый маленький в мире» одноэлектрон-
ный графеновый транзистор, о котором мы сообщили, тоже в Science,
около года назад (см. «Троицкий вариант» № 2N). Но такой тип тран-
зистора малопригоден для построения больших интегральных схем.
Поэтому возможность получать на базе графена «обычные» щелевые
полупроводники, продемонстрированная в нашей работе, крайне важ-
на. Конечно, это лишь начало – существенно еще, чтобы новые мате-
риалы имели подходящую ширину энергетической щели (в графане
она, похоже, великовата) и достаточно высокую электронную подвиж-
ность, но, как говорил один известный человек, по другому, впрочем,
поводу, «процесс пошел».
После умеренного отжига, до 300-400 градусов Цельсия, как оказа-
лось, водород можно удалить, восстановив свойства чистого графе-
на. Это открывает перспективы использования графана в водородной
энергетике, для хранения водорода (такая возможность ранее изуча-
лась нами теоретически). Там важно иметь возможность сравнительно
легко связывать и освобождать водород. Впрочем, пока все упирается
в отсутствие эффективного и дешевого способа массового производ-
ства графена. Но мы работаем над этим, и, естественно, другие тоже. Я
вполне оптимистичен. Не нужно забывать, что сама эта область иссле-
дований крайне молодая, так что, думаю, лучшее еще впереди.
Михаил Кацнельсон
Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane. D.C.Elias, R.R.Nair, T.M.G. Mohiuddin, S.V.Morozov, P.Blake, M.P.Halsall, A.C.Ferrari, D.W.Boukhvalov, M.I.Katsnelson, A.K.Geim, and K.S.Novoselov. Science, 30 January 2009, 323: 610-613 [DOI: 10.1126/science.1167130] (in Reports)