Исследования в области нанографена

Исследования в области нанографена

Выпуск 7(6681) от 04 апреля 2019 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Графен давно считается одним из самых перспективных материалов для дальнейшего развития микро- и наноэлектроники. Одно из основных направлений исследований в данной области – ​формирование нанографена на неметаллических подложках. В то же время исследователи не прекращают поиск более совершенных материалов. Здесь интерес вызывают гибридные материалы, сочетающие органические и неорганические прекурсоры, а также квазидвумерные материалы с пластичными и компактными молекулярными структурами.

Наноструктуры на основе углерода крайне перспективны для использования в наноэлектронике. Однако полная реализация потенциала данного материала требует использования неметаллических подложек, что до последнего времени было проблематично. Недавно исследователи Университета Эрлангена – ​Нюрнберга им. Фридриха-Александра (федеральная земля Бавария, Германия) открыли метод формирования слоев нанографена на поверхности металлических оксидов. Графен, будучи гибким и устойчивым к разрыву материалом, пригоден для использования в области наноэлектроники. Кроме того, в зависимости от размера и формы создаваемой структуры графен может демонстрировать как проводимость, так и полупроводимость, что является желательной характеристикой нанотранзисторов. Соответственно, многими исследователями графен рассматривается как возможная замена меди и кремния в следующих поколениях нанопроцессоров.


НАНОГРАФЕН НА ОКСИДАХ МЕТАЛЛОВ

Для того чтобы на основе нанографена создать электронные схемы, его молекулы необходимо собрать или синтезировать непосредственно на изолирующей или полупроводящей поверхности. Лучшие материалы для этих целей – ​оксиды металлов. Однако прямой (непосредственный) синтез нанографенов на оксидных поверхностях невозможен, так как оксиды обладают низкой реакционной способностью.

Соответственно, для создания нанографенов на оксидах металлов придется проводить реакционный процесс при достаточно высоких температурах, что обычно может приводить к побочным (вторичным) реакциям. Данное обстоятельство долго было препятствием на пути синтеза наноматериалов на неметаллических поверхностях. Однако подобные трудности, по сравнению с выгодами от применения графена, могут расцениваться как относительно несущественные. Графен, как двумерная, гибкая и разрывоустойчивая структура, обладает уникальными свойствами, делающими его привлекательным для применения в наноэлектронике. В зависимости от размера и формы нанографен может обладать свойствами как проводника, так и полупроводника, т. е. теми свойствами, которые необходимы нанотранзисторам. Таким образом, нанографен в следующих перспективных поколениях нанопроцессоров вполне сможет заменить медь (в качестве проводника) и кремний (в качестве полупроводника).

Предложенный исследователями Университета Эрлангена – ​Нюрнберга метод предполагает использование углеродно-фторной связи, одной из самых устойчивых связей углеродного типа. Данная связь может использоваться в качестве механизма запуска различных многоуровневых процессов. Желательные конфигурации нанографенов формируются по принципу домино методом циклодегидрофторирования на поверхности оксида титана. Благодаря сформированному подходу все недостающие углеродно-углеродные связи образуются поочередно по типу замкнутой молнии. Именно это и позволило исследователям создать нанографен на полупроводнике – ​в данном случае на оксиде титана. Открытый немецкими исследователями подход также позволяет определять форму нанографена за счет изменения месторасположения молекул-предшественниц формируемого соединения. Новые углеродно-углеродные связи в конце концов формируются там, где исследователи предварительно размещали атомы фтора.

Значимость исследований специалистов Университета Эрлангена – ​Нюрнберга заключается в том, что впервые продемонстрирована возможность прямого синтеза углеродных наноструктур на технически значимых поверхностях (т. е. технологичных, пригодных для использования в массовом производстве). Соответственно, предлагаемый инновационный подход обеспечивает возможность создания работающих наноэлектронных схем и перехода современной микроэлектроники в наноэлектронный масштаб [1].

Работы в области синтезирования углеродных наноструктур тесно связаны с вопросами создания гибридных материалов и соединений. В последнее время все большее внимание специалистов в области полупроводникового материаловедения привлекают как гибридные материалы (сочетающие в себе свойства органических и неорганических материалов), так и квазидвумерные материалы, обладающие высококомпактными молекулярными структурами. Получение подлинно двумерных материалов зачастую связано с большими сложностями технического характера (и, соответственно, с бЧльшими издержками), в связи с чем и существует значительный спрос на квазидвумерные материалы. Один из таких материалов – ​сочетание монослоя дисульфида молибдена (MoS2) и азобензола (подложка) (C12H10N2).

Исследования, проводившиеся в данной области различными специалистами, позволили сделать вывод: изменение интенсивности освещения молекулы азобензола делает возможным ее изомеризацию, перехода от стабильной транспространственной конфигурации к метастабильной форме. Это, в свою очередь, приводит к изменениям в состоянии электронного облака дисульфида молибдена.

Выводы были сделаны на основе модели, теоретически моделирующей собственно процесс, а также расчетов на основании теории функционала плотности (квантово-механический метод, используемый для изучения динамики систем различных тел). Помимо этого были смоделированы кинетические параметры монослоя дисульфида молибдена при возможных изменениях состояния азобензольной подложки.

В рамках исследования было выявлено, что квазидвумерная структура дисульфида молибдена делает его таким же привлекательным материалом, как графен, с точки зрения сокращения занимаемого пространства изготавливаемого на ее базе прибора, а также повышения уровня пластичности. Квазидвумерность структуры делает дисульфид молибдена более привлекательным по сравнению с графеном с таких позиций, как электропроводность и оптическая универсальность (MoS2 может излучать в диапазоне длин волн от ИК- до видимой области спектра).

Полученная исследователями гибридная структура молибден-дисульфид-азобензол считается очень перспективным материалом, но для полного выявления ее свойств требуются дальнейшие исследования [2].

 

1. Zips on the Nanoscale. Solid State Technology. The Pulse, February 28, 2019: https://electroiq.com/2019/02/zips-on-the-nanoscale/ 

2. Hybrid Material May Outperform Graphene in Several Applications. Solid State Technology. The Pulse, March 1, 2019: https://electroiq.com/2019/02/hybrid-material-may-outperform-graphene-in-several-applications/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ