Исследователи из Сингапура обнаружили, что молекулы углерода-60 (фуллерена) могут использоваться для создания геометрически-предопределенных квантовых точек из графена. Подобные структуры могут быть идеальными компонентами для электроники будущего, исполняющими роль одноэлектронного транзистора в наномасштабных цепях.

Графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, формирующих гексагональную кристаллическую решетку. Обычно графен получают путем отслаивания листов толщиной всего в один атом от кристалла графита. Чаще всего графен вспоминают в ракурсе будущей замены кремния в электронных приложениях благодаря его необычным тепловым, механическим и электронным свойствам.

Неожиданные физические свойства этого вещества связаны с его строением. Из-за того, что материал имеет толщину всего в один атом, свободные носители тока практически не задерживаются атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Поэтому электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы, не имеющие массы покоя, перемещаясь со скоростями порядка 10⁶ м/с. Это свойство сохраняется даже тогда, когда размеры устройства уменьшаются по площади до нескольких бензольных колец.

До сих пор исследователи могли создавать транзисторы только из лент графена, однако столь длинные структуры не позволяют максимизировать проводимость материала. А вот транзисторы, созданные из структур, работающие с электронами на квантово-механическом уровне, были бы намного более эффективны. Одна из разновидностей таких структур – квантовые точки, представляющие собой наноразмерные объекты, составленные из нескольких тысяч атомов, формирующих кристаллическую решетку. Правда, существующие методики создания квантовых точек из более крупных образований, например, из лент графена достаточно сложны.

Группа ученых из University of Singapore (Сингапур) предложила первый метод создания квантовых точек из мелких структур. Их техника позволяет создавать квантовые точки размерами не более 10 нм, используя в качестве промежуточной структуры молекулы углерода-60 (или фуллерена). Самая главная особенность предложенной методики в том, что получающиеся структуры имеют одинаковые размеры и форму, в отличие от точек, создаваемых при помощи существовавших до сих пор технологий. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Ученые создают квантовые точки путем «разборки» молекул фуллерена при высоких температурах на металлической поверхности рутения. Металл действует как катализатор, побуждая фуллерен распадаться на отдельные молекулярные кластеры. Формируемые таким образом группы атомов распространяются по поверхности рутения и формируют квантовые точки. Для наблюдения этого процесса ученые использовали методику сканирующей туннельной микроскопии.

Исследователи утверждают, что за счет контроля плотности фуллереновых молекул на поверхности металла, им удается контролировать плотность кластеров и, соответственно, характеристики получаемых квантовых точек. На эксперименте им удалось обнаружить два варианта молекулярных кластеров: гексагональные и в форме цветка, которые при температуре 825 градусов по шкале Кельвина трансформируются в геометрически-правильные гексагональные квантовые точки.

В рамках исследования полученных структур было обнаружено, что квантовые точки имеют энергетическую запрещенную зону, ширина которой тем больше, чем меньше размеры этой квантовой точки. Это важный результат, т.к. графен проявляет металлические свойства, и попытки создать в нем достаточно широкую запрещенную зону – это основное направление исследования материала на сегодняшний день.

По мнению исследователей, предложенная техника в будущем может использоваться для производства большого количества одинаковых квантовых точек. В ближайшем будущем ученые планируют изолировать созданные структуры, формируя на их базе электронные компоненты. Отдельным направлением исследований станет рассмотрение химических свойств полученных структур.