Співробітники Каліфорнійського університету в Берклі експериментально довели, що ідеальним матеріалом підкладки для графена служить гексагональний нітрид бору BN.

«Будь-яка підкладка впливає на властивості розташованих на ній шарів, так що для вивчення власних характеристик матеріалу краще брати підвішений графен, – говорить провідний автор дослідження Реджіс Деккер (Regis Decker). – На жаль, він не має потрібної механічної міцності, і працювати з ним дуже важко ». Займаючись пошуком такої підстави, яке давало б можливість імітувати поведінку підвішеного графена, вчені пробували розміщувати двовимірний вуглець на карбіді кремнію, металах, слюді і діоксиді кремнію.

Останній варіант – давно використовується в напівпровідниковій промисловості і стала звичною, підкладка з SiO2 – зустрічався в графенових пристроях частіше за інших. Як показала практика, в такій системі обов'язково з'являються «домішки» (скажімо, сторонні включення начебто молекул води або бульбашок повітря, захоплених між графеном і SiO2), що робить розподіл густини заряду нерівномірним. Це, у свою чергу, знижує рухливість носіїв заряду.

У жовтні минулого року фізики з Колумбійського університету повідомили про те, що графен на підкладці з нітриду бору має набагато більше високу рухливість електронів, ніж графен на диоксиде кремнію. «Проведені ними макроскопічні вимірювання не могли відповісти на всі питання, – зауважує інший учасник нової роботи Ян Ван (Yang Wang). – Ми вирішили розглянути зразки графена, вміщеного на BN, в атомарному масштабі, використовуючи скануючий тунельний мікроскоп. Топографію системи можна оцінити тільки так ».

Схема експерименту з показаними на ній шарами матеріалів і голкою скануючого тунельного мікроскопа (тут і далі ілюстрації з журналу Nano Letters).

Готуючи зразки до дослідження на мікроскопі, автори розмістили на диоксиде кремнію, вирощеному на легованому кремнії, нітрид бору. Поверх нього нанесли моношар графена, отриманого методом хімічного осадження з газової фази, а на графені розташувався електрод із золота і титану, який використовувався для заземлення. Між шаром вуглецевого матеріалу і кремнієм також можна було прикладати напругу, щоб задавати потрібну щільність носіїв заряду.

При порівнянні результатів вимірювань американці з'ясували, що графен на нітриді бору виходить менш шорстким, причому висота його нерівностей може відрізнятися від графена на SiO2 на два порядки. Більш привабливий вигляд на підкладці з BN має і розподіл густини заряду.

Порівняння топографії (верхній ряд) і розподілу щільності заряду в разі графена на підкладці з нітриду бору (ліворуч) та діоксиду кремнію. На шкалах позначені мінімальне та максимальне значення величини для лівого і правого зображень. Масштабна смужка – 10 нм.

Вчені також перевірили одне пророкування теоретиків, цікаве не з позиції збереження власних властивостей матеріалу, а з точки зору розробників напівпровідникових пристроїв. «Періоди гратки графена і гексагонального нітриду бору відрізняються один від одного всього на 1,7%, – пояснює пан Деккер. – Це дозволяло сподіватися на появу забороненої зони в графені на BN ». Надії не виправдалися: при будь-якому розташуванні аркуша графена на нітриді бору ширина забороненої зони в експерименті залишалася нульовий.

Варіювання муарового візерунка при зміні орієнтації листа графена щодо підкладки. Заборонена зона не «відкривалися» навіть при суміщенні (на малюнку – θ = 0 ˚) решіток.

За матеріалами: Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі

Tweet