Несмотря на впечатляющие характеристики чистого графена, использовать этот материал на практике оказалось намного сложнее, чем предполагалось. В рамках своей последней работы исследователи из Бразилии предложили способ настройки некоторых свойств этого материала, актуальных с точки зрения его возможного применения в электронике, при помощи комбинации допинга азота и определенных дефектов, образующихся при производстве крупномасштабных фрагментов графена.

Известно, что

производство крупномасштабных листов графена приводит к появлению большого количества дефектов, в частности, образованию зерен, а также линий границ между отдельными кристаллическими областями с разной ориентацией кристаллической решетки.

С другой стороны, для применения графена в полупроводниковых устройствах ученые часто прибегают к легированию чистого графена, к примеру, азотом. В рамках своей работы ученые из Federal University of Uberlândia и Federal University of Minas Gerais (Бразилия) решили совместить проблему дефектов и идею легирования, чтобы пронаблюдать эти два явления вместе.

В качестве результата своих исследований ученые предложили материал на основе графена, имеющий настраиваемую запрещенную зону, а значит, наилучшим образом подходящий для использования при создании различных электронных устройств.

Рис. 1. Полоса дефектов в графене, легированная атомами азота.

Исследователи моделировали полоски дефектов графена, где шестиугольники в основе кристаллической решетки на границах по-разному ориентированных кристаллических областей были заменены на пятиугольники и семиугольники. После этого они рассчитали энергетически благоприятные структуры для различных концентраций азотной примеси, смоделировав результаты исследований при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

Вычисления привели к удивительному результату. Традиционно считается, что дефекты могут негативно сказаться на удивительных свойствах графена, но для применения в реальных электронных устройствах нужны полупроводники с запрещенной зоной. В своих исследованиях бразильские ученые наблюдали, что введение атомов азота в дефектную область в графене открывает искомую запрещенную зону.

Более того, легирование азотом не только позволяет придать материалу металлические или полупроводниковые свойства (в зависимости от концентрации атомов азота), но и достаточно гибко управлять шириной запрещенной зоны за счет регулировки расстояния между отдельными линиями дефектов.

Правда, остается вопрос, как подобные структуры можно производить в промышленном масштабе (пока исследование коснулось только теоретического расчета). Как считают ученые, с ростом дефектов проблем возникнуть не должно, но с некоторыми сложностями придется столкнуться при включении атомов азота в дефектную область и контроле расстояния между отдельными дефектами, что и является ключевым инструментом для контроля параметров запрещенной зоны.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nanotechnology.

В ближайшей перспективе использованные учеными алгоритмы, предсказывающие физические свойства ансамбля атомов на основе первых принципов квантовой механики, можно будет применить к моделированию и исследованию других двумерных материалов. Результаты могут использоваться для объяснения новых экспериментальных данных или предсказания ранее неизвестных свойств этих материалов.