Кремниевая электроника постепенно приближается к физическому пределу своих возможностей: транзисторы становятся настолько малыми, что дальнейшее уменьшение упирается в законы квантовой физики. Учёные ищут альтернативу — и одним из перспективных материалов может стать диаман, «двумерный алмаз». Исследователи из НИЯУ МИФИ раскрыли механизм его превращения в графен при нагревании, что открывает путь к созданию гибридных углеродных материалов с заданными свойствами. Работа, опубликованная в журнале Diamond & Related Materials, описывает, как дегидрированные области диамана становятся проводящими, а участки с сохранённым водородом остаются диэлектриками. Учёные выяснили, что для сохранения алмазных свойств достаточно всего восьми атомов водорода — это позволяет создавать наноструктуры размером 0,3 нанометра, которые могут стать основой для сверхминиатюрных электронных компонентов. «Частично дегидрированный диаман может стать ключевым материалом для полностью углеродной 2D-наноэлектроники», — отмечают авторы исследования.
Электроника на основе кремния доминирует уже несколько десятилетий, но её возможности не безграничны. Когда размеры транзисторов приближаются к нескольким нанометрам, начинают действовать квантовые эффекты, которые мешают дальнейшему уменьшению. Учёные ищут замену — материалы, которые позволят создавать устройства тоньше, быстрее и эффективнее.
Один из таких материалов — диаман. Это двумерная форма алмаза: два слоя графена, соединённых прочными химическими связями, как в обычном алмазе. Такая структура даёт материалу выдающуюся твёрдость и широкую запрещённую зону, что делает его идеальным диэлектриком для ультратонкой электроники. Однако до недавнего времени оставалось неясным, что происходит с диаманом при нагревании.
Исследователи МИФИ — доцент Алексей Подливаев и профессор Константин Катин — с помощью компьютерного моделирования проследили этот процесс в деталях. Оказалось, что всё начинается с отрыва одного атома водорода от поверхности. Этот процесс требует значительной энергии — 2,59 электрон-вольт, что объясняет высокую термостабильность диамана.
Но самое интересное происходит дальше. Как только один атом водорода покидает своё место, процесс становится необратимым. Образовавшаяся «вакансия» создаёт зону напряжения, которая провоцирует отрыв соседнего атома водорода — уже с противоположной стороны. Так формируется «дивакансия», которая запускает цепную реакцию: атомы водорода начинают покидать свои места один за другим, и область «обезвоживания» растёт.
В этих дегидрированных областях межслойные алмазные связи между графеновыми слоями разрываются, и материал превращается в обычный диэлектрический биграфен. При этом окружающие области, где водород сохраняется, продолжают оставаться диаманом. Так в рамках одного материала возникает наноструктура, сочетающая в себе проводящие и диэлектрические свойства.
Кульминацией исследования стало определение минимального размера стабильного «островка» диамана. Учёные выяснили: для сохранения алмазных свойств достаточно всего восьми атомов водорода. Такой наноразмерный домен диаметром 0,3 нанометра может служить квантовой точкой — основой для сверхминиатюрных электронных компонентов.
«Частично дегидрированный диаман, содержащий как диэлектрические домены диамана, так и проводящие области биграфена, может стать ключевым материалом для полностью углеродной 2D-наноэлектроники», — заключают авторы. Открытие показывает, что диаман — не просто экзотический материал, а гибкая платформа для создания гетероструктур с заранее заданными свойствами. Возможно, именно такие «алмазные островки» в «графеновом море» станут основой для электроники следующего поколения.
