Допинг для графена

Трехмерная гибридная структура из монослоев и нанотрубок шестиугольного (гексагонального) нитрида бора.

Новая «ипостась» углерода в виде чешуек графита, снимаемых с поверхности карандашного грифеля с помощью куска обычного скотча, была открыта Новоселовым и Геймом чуть более 10 лет назад. Нобелевская премия за это открытие была присуждена им в 2010 году, став одной из самых «быстрых» в истории наград по физике.

Новый вариант формы углерода (другие формы – алмаз, сажа и графит) получил название «графен», и о его уникальных свойствах – прежде всего о скорости переноса электронов, близкой к сверхпроводимости – говорилось очень много. Но все это оставалось высокой наукой, производственники и технологи никак не могли укротить своенравный характер графена и заставить его работать в привычных условиях. Но, похоже, что в этой области наметились определенные подвижки.  

«Мятый» графен с наночастицами золота и образцом (target), на который направлен луч лазера, генерирующий усиленное рассеяние Рамана (SERS – Surface enhanced Raman scattering).

Впервые вклиниться в углеродную структуру удалось пару лет назад корейским ученым из Национального института науки в городе Ульсане. Использовав четыреххлористый углерод (CCl4), трибромид бора (BBr3) и газ азот (N2), а также большие атомы калия, они смогли получить BCN-графен. Примесь-допант (этим словом производители микрочипов называют добавки, придающие характерные свойства полупроводникам) позволила шире открыть полосу усвоения энергии. Пока эффективность этого процесса в солнечных батареях не превышает 20%, в то время как фотосинтеза – приближается к 100%. Помимо этого, бром-углерод-азотный допинг дал возможность контролировать полосу пропускания графена, что очень важно для производства чипов с их многочисленными транзисторами. 

Следует учесть, что все три элемента расположены последовательно в таблице Менделеева и имеют сходные размеры (70, 77 и 85 пикометров, или 0,07–0,085 нанометра).

Открытие побудило химиков Пенсильванского университета в Филадельфии пойти дальше. Они свели допинг к «чистому» бору, что сделало бор-графен сверхчувствительным к оксидам азота и аммиаку (в 30 и в 10 тыс. раз соответственно). Об этом достижении сообщил журнал «Труды АН США» (PNAS). Окислы азота – главный компонент выхлопных газов, что и приводит к выпадению кислотных дождей. Аммиак используется в качестве хладагента в промышленных холодильниках, и его утечка крайне опасна. Внедрение атомов бора в гексагональную шестиуглеродную ячейку графена было доказано сканирующим туннельным микроскопом. Авторы полагают, что их графеновый газоанализатор позволит выявлять испарения взрывчатых веществ, токсические и огнеопасные газы, а также поможет улучшить литий-ионные батареи и транзисторы на основе моноатомных слоев.

3D-картина, представленная в журнале American Chemical Society исследователями университета Райса в Хьюстоне, напоминает типичную виртуальную «бродилку», или «стрелялку», с многочисленными переходами и залами, своды которых поддерживаются мощными колоннами. Речь идет о монослоях шестиугольного (гексагонального) нитрида бора и вырастающих из них нанотрубках (колончатый нитрид бора), благодаря которым и возникает 3D-структура.

Молекулы анализируемого газа над поверхностью сверхчувствительного сенсора из графенового монослоя с внедренными в его структуру атомами бора (желтые).  Иллюстрации Physorg

Сейчас трудно поверить, что первые ноутбуки были в два пальца толщиной. Но и сегодня даже сверхтонкие гаджеты вынуждены мириться с утолщением в задней части, что связано с сохранением вентилятора, отводящего излишнее тепло. Создатели нового материала полагают, что он поможет эффективнее отводить и рассеивать ненужные калории тепла, что зависит от расстояния между трубками и от их высоты. Говорится также, что в основаниях трубчатых колонн более выражен так называемый эффект Капицы – усиление термосвойств гибридного вещества со структурой графена. 

Возвращаясь к последнему, необходимо два слова сказать о золоте, свойства которого, как выяснили в университете финского города Иваскила, зависят от числа его атомов (102 или 144). Меньшее число атомов ведет себя как большая молекула, преодоление же количественного барьера делает их благородным металлом. Металлическое состояние очень быстро – за 10–11 с. – рассеивает энергию лазерного фотона, в то время как «молекула» делает это в 100 раз медленнее. Этот эффект можно использовать в фотодинамических устройствах кратковременной памяти.

А вот нанотехнологи Иллинойского университета в городе Шампань создали новую модификацию графена – «мятый» графен. То есть им удалось перевести идеально ровный двумерный монослой графена в 3D-состояние – с холмами и балками – углублениями между ними. Сообщение об этой работе размещено в журнале Nano Letters. Новый материал, по мнению авторов, найдет широкое применение не только в изучении молекулярных структур, но также при определении лекарств и других химических молекул в крови и других биожидкостях, в изучении одиночных клеток и качества пищевых продуктов, а также при «чтении» последовательностей ДНК и РНК, без которых сегодня невозможно представить многие аспекты современной жизни.