Графен разбили на квантовые точки
Российские физики разработали новый способ получения графеновых квантовых точек, которые можно использовать в наноэлектронике, биологии и медицине.
Специалисты нескольких научных организаций России впервые сумели создать в непроводящей основе графеновые квантовые точки размером в единицы нанометров, облучая тонкие плёнки фторированного графена высокоэнергичными ионами. Об этом новом перспективном подходе к созданию наноструктурированного материала на основе графена они сообщили в статье, опубликованной в журнале «Nanotechnology».
Квантовые точки, которые иногда называют искусственными атомами, представляют собой крошечные фрагменты полупроводника, в котором «заперты» электроны. Из-за этого они не могут свободно двигаться по всему кристаллу. Важная особенность квантовых точек заключается в том, что их излучение может происходить лишь на определённых частотах. Как говорят физики, спектр излучения становится дискретным. Причём частоты излучения зависят от размера квантовых точек. Поэтому их, например, можно использовать для создания цветных мониторов, в том числе гибких, для телевизоров, компьютеров и приборов.
На сегодняшний день квантовые точки также нашли применение в качестве флуоресцирующих меток в медицинских и биологических исследованиях. На их основе можно создать одноэлектронные транзисторы и логические элементы квантового компьютера. Однако квантовые устройства чувствительны к внешним условиям и часто требуют охлаждения до сверхнизких температур. Графен же позволяет создавать наноэлектронные приборы, действующие в обычных условиях.
Обычно для получения в графене квантовых точек его «нарезают» на маленькие кусочки, края которых взаимодействуют с воздухом и окисляются. Это приводит к ухудшению их свойств. Возникает проблема: чем миниатюрнее нужны квантовые точки, тем больше у них будет краёв, которые ухудшат их параметры. В данной работе исследователи формировали графеновые квантовые точки прямо внутри плёнки из фторографена, представляющего собой диэлектрик. Для этого они облучали плёнку высокоэнергетичными ионами ксенона с энергиями от 26 до 167 МэВ. Образовавшиеся в результате облучения наноостровки графена сразу оказываются «вмурованными» в диэлектрическую основу (матрицу) что решает многие проблемы, возникающие при создании квантовых точек. Важным достоинством полученного материала служит и его стабильность.
Как признаются сами исследователи, они не ожидали увидеть подобный процесс. Но изучив его в эксперименте и проведя численное моделирование, они сумели понять в чём тут дело. Благодаря кратковременному и потому мощному выделению тепла из-за удара иона, фторографен разрушался и образовывался графен в виде небольших (20-40 нанометров в диаметре) гранул с квантовыми точками размером 1,5-3 нанометра. Затем гранулы «слипались» в более крупные сферические образования.
Подобное наноструктурирование пленок значительно расширяет возможные применения графена в микроэлектронике. Например, исследователи создали двухслойный материал, состоящий из фторографена, нанесенного на гибкую подложку из поливинилового спирта, который может использоваться при разработке энергонезависимой памяти на основе мемристоров. Его характеристики: время хранения, скорость и плотность записи информации существенно превышают аналогичные параметры у традиционно используемых видов памяти.
В планах авторов разработка методов создания материалов с заранее заданными электрическими параметрами за счет управления расстояниями между квантовыми точками и формирование из них определенного рисунка.
В работе принимали участие специалисты Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Объединенного института ядерных исследований и французской Школы промышленной физики и химии (Ecole Superieure de Physique Chimie Industrielle de la Ville de Paris)
