Ученые Института неорганической химии Сибирского отделения Российской академии наук создали на поверхности алмаза проводящий слой из графена.
Для этого на алмаз нанесли тонкий слой металла, а затем отожгли в бескислородной среде. В результате участок потемнел — на поверхности образовался графитовый слой. Полученное покрытие оказалось тонким, но достаточно прочным, крепко связанным с алмазом. Оно позволит создавать электронные схемы без дополнительных металлических слоев.
«На алмазной подложке без дополнительных переходных слоев можно получить готовый электронный элемент, в котором будет совмещено все: изоляционная подложка, полупроводниковый слой и проводящие дорожки. Метод достаточно прост и не требует сложных манипуляций и дорогостоящего оборудования — только нанесение металла и отжиг. При этом проводимость в графитизированном слое будет такой же, как и в графене, а ее характер будет двумерным», — отмечает старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХСО РАН Ольга Седельникова.
В ходе исследования было установлено, что уже при 310℃ начинает образовываться графит. А при 500℃ — целых два нанометра, что равно примерно восьми слоям графена. Для такого превращения температура — крайне низкая.
«Мы можем нанести тонкий слой металла (несколько нанометров) так, как нам нужно, нагреть (до 700-800℃), и получится очень тонкий электропроводящий графеновый слой», — дополняет Седельникова.
Может показаться, что никакой особой разработки здесь и не требовалось. Однако не все так просто: перенести графен на алмаз без дополнительной графитизации поверхности было бы недостаточно. Простое соединение двух материалов неэффективно: между ними образуется нековалентная связь, которая ухудшает электрический контакт. А превращение самого алмаза в графит при обычных условиях невозможно.
«Термодинамически более стабильная фаза углерода — графит, алмаз же метастабилен. Казалось бы, алмаз должен спонтанно преобразоваться в графит. Но этого не происходит из-за высокого энергетического барьера, необходимого для разрушения алмазной структуры. Для такого превращения требуются высокие температуры (выше 2 000℃). Однако в присутствии каталитического металла разрушение алмазной структуры значительно упрощается. При нагревании в интерфейсном слое «алмаз — металл» возникает встречная диффузия атомов, то есть частицы металла погружаются в алмаз, а атомы углерода проникают в металл. В итоге происходит насыщение каталитической частицы и выделяется sp2-углерод, параллельно формируются графеновые слои на поверхности алмаза», — поясняет исследователь.
Выяснилось также, что у технологии есть альтернатива: на алмаз можно воздействовать еще и ультрафиолетовым лазером. Верхние слои будут нагреваться, абляцироваться (превращаться в пар) и, наконец, графитизироваться. При этом времени потребуется гораздо меньше: всего несколько минут вместо 30 или даже 60, которые занимает отжиг (здесь важен медленный нагрев и медленное охлаждение с продолжительной выдержкой между этапами).
Лазер более применим при масштабировании. С его помощью можно будет сформировать графитовые решетки с периодом 200−400 мк и нарисовать с высоким разрешением интегральную плату.
«Изготовленная нами решетка также интересна для терагерцевой оптики, поскольку алмаз обладает низким собственным поглощением в этом частотном диапазоне. В ближайшем будущем именно на поликристаллах начнут происходить практические внедрения, поскольку они намного дешевле, а свойства близки к монокристаллам», — подытожила Ольга.
Ранее Наука Mail рассказывала, что российские ученые научились моделировать свойства покрытий из графена.