Последние исследования опровергли теорию о том, что электропроводность идеальных графенов превышает электропроводность графенов с реальной структурой.

Электронные свойства графенов являются предметом пристального внимания со стороны исследователей, что связано в первую очередь с потенциальной возможностью использования этих объектов в качестве элемента наноэлектронных устройств и приборов.

До сих пор считалось, что электропроводность графена с идеальной структурой превышает соответствующий показатель для реальных графенов, обладающих структурными дефектами. Однако, это мнение опровергается результатами экспериментальных и теоретических исследований, выполненных большой группой ученых из разных стран (Швеция, Чехия, США), которым удалось обнаружить эффект роста электропроводности графенов в результате введения дефектов. (Работа опубликована в научном журнале Journal of Physics D: Applied Physics; Том 43, номер 4).

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Рис. 1. Поверхность графена с дефектами

Это открытие позволяет рассматривать возможность приготовления графенов с заданной электропроводностью, что может стать толчком к развитию наноэлектроники на их основе. В качестве объекта исследования использовали углеродные нанополоски (УНС), представляющие собой чешуйки графена с поперечным размером около 1 мкм, толщиной основания до 7 монослоев и толщиной свободного конца 2–3 графеновых слоя, возвышающиеся над поверхностью частицы нанографита, которая имела толщину около 20 нм. Подобные полоски удобны как для химической обработки, так и для электрических измерений, поскольку при этом не возникает проблем транспортировки образцов нанометрового размера.

Рис. 2. Зависимости электрического сопротивления от приложенного напряжения образца графена, обработанного кислотой, и контрольного образца.

Для введения дефектов полученные образцы в течение 3 ч обрабатывали в водном растворе HCl (35%) при температуре 90оС, после чего промывали в деионизованной воде в течение 10 ч, затем промывали деионизованной водой при комнатной температуре и просушивали в течение 3 мин при температуре 150оС. Контрольные образцы промывали только водой, без использования кислотного раствора.

Как видно из рисунка, введение дефектов сопровождается снижением электрического сопротивления графена в несколько десятков раз. Для объяснения этого результата авторы воспользовались моделью, согласно которой введение дефектов в графен сопровождается существенным увеличением концентрации носителей заряда, что обусловлено возникновением в электронной структуре графена примесных электронных уровней, связанных с наличием присоединенных групп. При этом рост концентрации носителей с увеличением числа дефектов с избытком компенсирует снижение их подвижности, обусловленное рассеянием электронов на примесных неоднородностях.