Физики вырастили рекордно большой лист «белого графена»

23 мая 2019
152

Физики вырастили квадратный лист двумерного гексагонального нитрида бора площадью около ста квадратных сантиметров, что почти в тысячу раз больше предыдущего рекорда. Для этого ученые наращивали на медной фольге ступеньки, а затем осаждали на ней пары боразана. Кроме того, предложенный авторами метод легко можно адаптировать для выращивания других двумерных кристаллов. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложенна сайте arxiv.org.

С тех пор, как Александр Гейм и Константин Новоселов получилиграфен, физики не прекращают исследовать двумерные материалы и разрабатывать двумерные электронные устройства. По сравнению с обычными электронными приборами на основе оксида кремния двумерные электронные устройства обладают рядом преимуществ — они меньше, быстрее и функциональнее. В настоящее время такие материалы уже используются в электронике, оптоэлектроникеи фотовольтаике. Впрочем, чтобы распространить эти достижения на промышленные масштабы, нужно научиться быстро выращивать большие двумерные кристаллы, замещающие привычные электронные компоненты — проводники, полупроводники и изоляторы. Пока что ученые разработали такие методы только для небольшого числа материалов. В частности, до сих пор физики не умеют выращивать большие площади двумерного гексагонального нитрида бора («белого графена»). Благодаря стабильности, плоской поверхности и широкой запрещенной зоне некоторые физики называют этот материал лучшим двумерным изолятором. К сожалению, типичный размер хлопьев «белого графена» не превышает одного миллиметра. В основном такой малый размер объясняется особенностями роста кристалла. С одной стороны, из-за чрезмерной нуклеации невозможен сценарий, в котором отдельный домен вырастает в крупный монокристалл. С другой стороны, из-за тройной симметрии решетки домены нитрида бора часто повернуты в разные стороны, а потому неспособны склеиться в однородный кристалл. По крайней мере, эти проблемы сопровождают рост нитрида бора на большинстве субстратов.

Чтобы нарастить на фольге пленку из «белого графена», исследователи помещали над ней тигель из оксида алюминия, заполняли его боразаном H3B-NH3 и разогревали до температуры 1035 градусов Цельсия. Как только тигель прогревался, ученые понижали давление газа до 0,002 атмосферы и продували его смесью аргона и водорода. Примерно после часа синтеза на поверхности фольги возникали отдельные домены нитрида бора, а еще через два часа домены сливались в сплошной двумерный кристалл. За ростом кристалла ученые следили с помощью рентгеновскойрамановскойи абсорбционной спектроскопии, а также с помощью атомного силового и микроскопа и просвечивающего растрового электронного микроскопа. Все эти методы подтвердили, что выращенный двумерный кристалл является кристаллом гексагонального нитрида бора. Более того, измерения показали, что рост домена всегда начинался у подножия ступеньки, благодаря чему 99,5 процентов доменов были ориентированы в одну сторону. Таким образом, кристалл «белого графена» получался однородным. Наконец, чтобы объяснить, почему домены выстраиваются вдоль ступенек, ученые численно рассчитали энергию связи ступеньки и края домена гексагонального бора. Для этого физики использовали теорию функционала плотности. Как и ожидалось, расчеты показали, что домену наиболее выгодно ориентироваться вдоль направления <221> в кристалле меди. Незначительные же отклонения от этого правила ученые объясняют дефектами ступенек.