Графен – монослой из атомов углерода – привлекает к себе внимание как с фундаментальной (безмассовые дираковские фермионы), так и с практической (наноэлектроника) точек зрения.

В работе [1] было теоретически предсказано существование графана – монослоя графена, полностью насыщенного водородом с обеих сторон. Совсем недавно это предсказание подтверждено экспериментально [2]. Графан (в отличие от графена) является диэлектриком и, в принципе, может использоваться в наноэлектронных устройствах наравне с графеном. Кроме того, большое относительное содержание водорода в графане (7.7 масс. %) не исключает его применения в водородной энергетике. При анализе возможности практического использования графана необходимо, однако, сначала изучить его термическую устойчивость относительно десорбции водорода и определить соответствующий диапазон допустимых рабочих температур.

Рис. 1. Кластер C₅₄H₇₂ – фрагмент графана. Большие и маленькие шарики – атомы углерода и водорода соответственно.

В работе [3] представлены результаты исследования такой десорбции методом молекулярной динамики. Фрагмент графана моделировался кластером C₅₄H₇₂ (рис. 1), а задача состояла в определении температурной зависимости времени t, требующегося для отрыва от кластера одного атома водорода, что соответствует десорбции ~ 2 % атомов водорода из макроскопического образца графана, то есть формированию в последнем сравнительно большого (достаточного для существенного изменения электрических характеристик) количества дефектов. Для решения этой задачи использовался метод молекулярной динамики в диапазоне температур T = (1300 ¸ 3000) К. Из рис. 2 видно, что при понижении температуры время десорбции t экспоненциально возрастает от ~ 0.1 пс до ~ 10 нс.

Рис. 2. Зависимость логарифма времени десорбции t одного атома водорода из кластера C₅₄H₇₂ (в секундах) от обратной температуры T (в Кельвинах). Точки – результаты расчета. Сплошная линия – линейная аппроксимация методом наименьших квадратов.

Зависимость логарифма t от обратной температуры достаточно хорошо аппроксимируется прямой линией, что говорит о применимости к описанию десорбции водорода стандартной формулы Аррениуса t^-1(T)=A·exp(-E_a/k_BT) с не зависящим (или слабо зависящим) от температуры частотным фактором A и энергией активации E_a, определяемой по углу наклона прямой на рис. 2. Статистический анализ результатов моделирования дает E_a = (2.46 ± 0.17) эВ и A = (2.1 ± 0.5)·10¹⁷ сек^-1. Подстановка величин E_a и A в формулу Аррениуса позволяет определить величину t при низких температурах, не доступных для “компьютерного эксперимента” из-за чрезмерной длительности расчетов. При T = 300 K величина t оказывается огромной (~ 10²⁴ с), что говорит о возможности использования графана в наноэлектронных устройствах с комнатной рабочей температурой. Повышение температуры до 600 К приводит к уменьшению t до ~ 1000 с. Эти результаты согласуются с экспериментальными данными работы [2], в которой для полной десорбции водорода из графана последний отжигали в атмосфере аргона при T ≈ 700 K в течение суток.

Что касается возможности использования графана в топливных элементах автомобильных двигателей, то помимо выполняющихся для графана требований высокого содержания водорода (> 6 масс. %) и устойчивости при комнатной температуре, необходимым условием является также быстрая (в течение ~ 1 с) и почти полная десорбция водорода при температуре не выше 400 K. Как следует из полученных в [3] результатов, для графана это условие не выполняется, поскольку прочные ковалентные связи C-H, с одной стороны, обеспечивают высокую термическую устойчивость водорода, хемисорбированного на углеродных наноструктурах, а с другой – резко замедляют процесс десорбции. Таким образом, наиболее перспективным направлением практического применения графана видится наноэлектроника.

Л. Опенов