Найден материал, идеально дополняющий графен

Сотрудники Калифорнийского университета в Беркли экспериментально доказали, что идеальным материалом подложки для графена служит гексагональный нитрид бора BN.

«Любая подложка влияет на свойства расположенных на ней слоёв, так что для изучения собственных характеристик материала лучше брать подвешенный графен, — говорит ведущий автор исследования Реджис Деккер (Regis Decker). — К сожалению, он не имеет нужной механической прочности, и работать с ним очень тяжело». Занимаясь поиском такого основания, которое давало бы возможность имитировать поведение подвешенного графена, учёные пробовали размещать двумерный углерод на карбиде кремния, металлах, слюде и диоксиде кремния.

Последний вариант — давно используемая в полупроводниковой промышленности и ставшая привычной подложка из SiO2 — встречался в графеновых устройствах чаще других. Как показала практика, в такой системе обязательно появляются «примеси» (скажем, инородные включения вроде молекул воды или пузырьков воздуха, захваченных между графеном и SiO2), что делает распределение плотности заряда неравномерным. Это, в свою очередь, снижает подвижность носителей заряда.

В октябре прошлого года физики из Колумбийского университета сообщили о том, что графен на подложке из нитрида бора имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем графен на диоксиде кремния. «Проведённые ими макроскопические измерения не могли ответить на все вопросы, — замечает другой участник новой работы Ян Ван (Yang Wang). — Мы решили рассмотреть образцы графена, помещённого на BN, в атомарном масштабе, используя сканирующий туннельный микроскоп. Топографию системы можно оценить только так».

Схема эксперимента с показанными на ней слоями материалов и иглой сканирующего туннельного микроскопа (здесь и далее иллюстрации из журнала Nano Letters).

Подготавливая образцы к исследованию на микроскопе, авторы разместили на диоксиде кремния, выращенном на легированном кремнии, нитрид бора. Поверх него нанесли монослой графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы, а на графене расположился электрод из золота и титана, который использовался для заземления.

Между слоем углеродного материала и кремнием также можно было прикладывать напряжение, чтобы задавать нужную плотность носителей заряда.

При сравнении результатов измерений американцы выяснили, что графен на нитриде бора получается менее шероховатым, причём высота его неровностей может отличаться от графена на SiO2 на два порядка. Более привлекательный вид на подложке из BN имеет и распределение плотности заряда.

Сравнение топографии (верхний ряд) и распределения плотности заряда в случае графена на подложке из нитрида бора (слева) и диоксида кремния. На шкалах обозначены минимальное и максимальное значения величины для левого и правого изображений. Масштабная полоска — 10 нм.

Учёные также проверили одно предсказание теоретиков, интересное не с позиции сохранения собственных свойств материала, а с точки зрения разработчиков полупроводниковых устройств. «Периоды решётки графена и гексагонального нитрида бора отличаются друг от друга всего на 1,7%, — поясняет г-н Деккер. — Это позволяло надеяться на появление запрещённой зоны в графене на BN». Надежды не оправдались: при любом расположении листа графена на нитриде бора ширина запрещённой зоны в эксперименте оставалась нулевой.

Варьирование муарового узора при изменении ориентации листа графена относительно подложки. Запрещённая зона не «открывалась» даже при совмещении (на рисунке — θ = 0˚) решёток.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nano Letters; текст статьи можно скачать отсюда. Кстати, в апрельском номере журнала Nature Materials вышла другая статья на ту же тему, авторы которой пришли к аналогичным выводам.