Граница

http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_19/perst.htm#G_9_19_7

Устойчивость границы раздела графен/графан к термическому разупорядочению

Недавно в работе [1] было теоретически предсказано существование графана - монослоя графена, полностью насыщенного водородом с обеих сторон. После того, как графан был действительно синтезирован, [2] встал вопрос о его возможном применении. Графан, в отличие от графена, является диэлектриком и в принципе может использоваться в наноэлектронике в комбинации с графеном. Например, можно попытаться изготовить наноэлектронные устройства различного типа путем селективной сорбции водорода на графене или графеновых нанолентах. На первый взгляд, кажется, что рабочие температуры таких устройств должны быть чрезвычайно низкими, поскольку термоактивированная миграция атомов водорода через границы раздела графен/графан приведет к быстрому размытию этих границ и неконтролируемому изменению электрофизических характеристик прибора. Однако в работе [3] при проведении “компьютерного эксперимента” по численному моделированию динамики системы графен/графан (см. рис.) было обнаружено, что граница раздела “сопротивляется” термическому разупорядочению и остается атомарно резкой даже при высокой (~ 1500 К) температуре.

Кластер C₈₈H₇₀, использованный в [3] для моделирования системы графен/графан. Большие и маленькие шарики - атомы углерода и водорода, соответственно.

Периферийные атомы водорода требуются для пассивации “болтающихся” связей.

При этом наблюдалась следующая картина. Вслед за миграцией одного атома водорода на длину связи С-С следовал, как правило, быстрый (за время ~ 1 пс) перескок этого атома в исходное положение, тогда как его повторная миграция в область графена имела место чрезвычайно редко. Иногда после первого элементарного акта миграции освободившийся узел занимал атом водорода из другой подрешетки, который, однако, вскоре (опять же за время ~ 1 пс) возвращался на свое место, а затем восстанавливалась начальная конфигурация. Регенерация границы раздела графен/графан наблюдалась и после гораздо более сложной последовательности перескоков сразу нескольких атомов водорода, принадлежащих разным подрешеткам. Чтобы выяснить причину термической устойчивости границы графен/графан, авторы [3] изучили вид гиперповерхности потенциальной энергии системы как функции координат составляющих ее атомов и нашли высоты энергетических барьеров, разделяющих различные атомные конфигурации. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев барьеры для переходов в более далекие от исходной конфигурации существенно выше барьеров для обратных переходов. Поэтому, согласно формуле Аррениуса для вероятности перехода в единицу времени, система гораздо больше времени проводит в упорядоченной конфигурации. Таким образом, граница раздела (если она является прямой линией) очень устойчива (можно даже сказать - аномально устойчива) к термическому разупорядочению, что делает гибридные системы графен/графан перспективными кандидатами для наноэлектроники.

Л.Опенов

1. Phys. Rev. B 75, 153401 (2007).

2. Science 323, 610 (2009).

3. Письма в ЖЭТФ 90, 505 (2009).