Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» выяснил, что если в двухслойном графене искусственно создать «отверстие», например, выжечь его лазером, то атомы углерода на границах перераспределятся и образуют соединения между слоями, формируя непрерывную поверхность. Так, несмотря на дефект, электронные свойства материала не только не становятся хуже, но и в ряде случаев улучшаются.

Статья о работе опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Графен – двумерный углеродный кристалл – активно изучается учеными уже несколько десятилетий. Материал обладает целым рядом интересных свойств, что открывает широкие перспективы для самых разнообразных его применений: в устройствах памяти, для фильтрации, для создания защитных покрытий и других целей. Как и любой двумерный материал, графеновые слои можно размещать друг на друге, получая материал с новыми свойствами. Так, двухслойная модификация графена называется биграфен.

Он изучается сравнительно недавно, но ученые уже пришли к интересному выводу: при создании отверстий в материале (например, при помощи пучка лазера или бомбардировки ионами), электронные свойства биграфена могут улучшаться, а именно может открываться запрещенная зона и возникать дипольный момент на краях отверстий. Было, однако, непонятно, чем обусловлен такой эффект – ведь обычно дефекты ведут исключительно к рассеиванию носителей зарядов.

Ученые НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН изучили поведение отдельных атомов углерода на границе дефектов и нашли ответ: оказывается краевые атомы верхнего и нижнего слоя по контуру дефекта начинают соединяться между собой, образуя непрерывную поверхность с четко определенной структурой.

«В эксперименте современными методами крайне сложно, если не невозможно определить структуру замкнутого края биграфена. Но мы показали, что он во многом эквивалентен межзеренной границе в монослойном графене, что позволило применить разработанную теорию межзеренных границ для описания формирования замкнутых краев в биграфене» – рассказывает один из авторов работы, инженер лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Ерохин Сергей.

Срастание биграфена на границе дефекта. Заметна периодичность повторения структурного дефекта 5–7 / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

«Теперь, зная механизм замыкания слоев биграфена, можно предсказать, какая структура образуется на месте намеренно созданного отверстия даже в случаях нестандартной упаковки слоев, как, например, когда один слой повернут относительно второго. Кроме того, в нашей работе показано, что замкнутый край обладает высокой локальной кривизной, что приводит к проявлению неожиданных физических свойств, таких как флексоэлектрический дипольный момент», – рассказывает один из авторов работы, доктор физико-математических наук, научный руководитель инфраструктурного проекта «Поиск и предсказание новых низкоразмерных структур и исследование их физико-химических свойств» лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.

Результаты данной работы позволят создавать более совершенные структуры с заданными свойствами. По словам ученых, такой модифицированный биграфен будет особенно интересен для использования в различных устройствах на основе графена для электронных приложений, а также в качестве мембран.