Учёные из Университета Райса (США) представили простой прямой путь выращивания больших листов мультислойного графена контролируемой толщины. Теоретически плёнки графена с точным количеством слоёв позволят создавать графеновые транзисторы и другие необычные, но востребованные устройства.

Несмотря на то что традиционный однослойный графен проводит заряд гораздо эффективнее кремния, этот углеродный материал напрочь лишён запрещённой зоны — электронного свойства, лежащего в основе любого полупроводникового устройства. Однако, как недавно выяснилось,

два графеновых слоя, уложенных друг на друга определённым образом, способны на небольшую запрещённую зону. В этом случае каждый второй углеродный атом верхнего слоя должен попадать в середину гексагонов нижнего уровня, из которых состоит графен. Такое расположение атомов называется упаковкой Берналя. Исследователи предположили, что трёх- и четырёхслойные листы графена в таком случае должны обладать разными электронными свойствами, которые могли бы быть полезными на практике.

Рис. 1. Схема CVD-процесса (иллюстрация ACS Nano).

Джеймс Тур (James M. Tour) и его коллеги задались целью найти способ, позволяющий использовать метод химического осаждения из газовой фазы (CVD) для получения плёнок Берналя контролируемой толщины.

Эта технология, способная производить сантиметровые графеновые листы, заключается в выращивании графеновых слоёв на медной фольге в камере с контролируемым давлением.

Химики заполняют камеру смесью водорода и метана, которая и является источником углерода. Методом проб и ошибок было установлено, что

существует простой способ, позволяющий контролировать число получаемых графеновых слоёв с помощью давления в камере, поддерживая соотношение парциальных давлений водорода и метана равным 28:1.

При увеличении давления образуются более толстые графеновые покрытия: в экспериментах были получены структуры толщиной от 1 до 10 слоёв. Двухслойный графен появляется при давлении 93,3 торр, а трёх- и четырёхслойные покрытия образовывались при 152 и 277,6 торр. Для подтверждения числа слоёв в конечном продукте и их «бернальной» природы использовалась просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и электронная дифракция.

А в качестве практической демонстрации полезности мультислойного графена с упаковкой Берналя учёные создали полупроводниковый транзистор на основе двухслойного материала.

Подробный отчёт о работе опубликован в журнале ACS Nano.