ENGТайваньский университет Taiwan's Cheng Kung University (NCKU) представил новаторский метод перепроектирования графена, который заявлен как прорыв в фундаментальной физике и науке. Новаторскую разработку назвали «революционной» и обладающей коммерческим потенциалом.
Как пишет издание Taiwan News со ссылкой на пресс-конференцию Министерства науки и технологий Тайваня (Taiwan’s Ministry of Science and Technology, MOST), разработчик — национальный университет Cheng Kung — является основным источником технологических инноваций в стране. Ожидается, что новые открытия сделают Тайвань более конкурентоспособным в области квантовых технологий.
«В настоящий момент наблюдается повышенный спрос на квантовые инновации, и ученые ищут технологии, помимо матрицы КМОП (CMOS), которые будут использоваться в энергонезависимых устройствах типа датчиков движения и системах наблюдения. Новаторский метод, который изобрела исследовательская группа тайваньских ученых, уникален. Его можно назвать прорывом в технологиях. Перепроектирование графена привлекает особое внимание из-за коммерческого потенциала на рынке электронных компонентов», — цитирует издание гендиректора департамента естественных наук и устойчивого развития Министерства науки и технологий Тайваня Ло Мэн-фана.
Трудности сложения
Предыстория такова, что в последние годы исследователи были сосредоточены на наложении слоев графена (или других 2D-материалов атомарной толщины) на наноразмерном уровне, как строительные блоки LEGO. Скрутив эти атомные блоки LEGO, ученые всего мира смогли настроить структуру решетки, что позволило им превратить графен из полупроводника в сверхпроводник, изолятор или ферромагнетик.
Однако сложение 2D-материалов на атомарном уровне может быть чрезвычайно трудным. В переводе на коммерческий язык — проблемным для масштабируемости и промышленных объемов. Это привело тайваньских ученых к идее искусственного создания сверхрешетки в двухслойном графене с помощью нанофабрикатов и нанолитографии. Подход открывает много возможностей, поскольку демонстрирует несколько необычных и нетривиальных квантовых свойств и явлений. Кроме того, идея обладает потенциалом приближения к формированию 2,5D- и 3D-рисунка.
Работа тайваньских исследователей была опубликована в журнале Nature Electronics за февраль 2021 года. Учёные смогли реконструировать графен, регулируя расстояние и расположение атомов с помощью электронно-лучевой литографии и сухого травления.
Зачем нужны 2D-материалы
В конце марта 2021 года в российском онлайн-журнале «Наука и Техника» вышла заметка о 2D-материалах, в которой также поднималась тема использования графена как сверхпроводника, то есть его способности одному выполнять множество функций вместо использования множества материалов для различных функций.
«Открытие материала графена, который состоит только из одного слоя атомов углерода, стало стартовым сигналом для глобальной гонки: сегодня производятся так называемые “2D-материалы”, которые могут быть получены из разных типов атомов», — пишет издание.
В статье объясняется, что атомарно тонкие слои часто имеют особые свойства материала, которых не наблюдаются в традиционных материалах с обычной атомной кристаллической решеткой. Если два таких 2D-слоя уложены под определенным углом, это приводит к возникновению новых свойств и возможностей.
В этом направлении развивается твистроника (тwistronics), которая изучает, как угол (скручивание) между слоями 2D-материалов может изменять их электрические, оптические и механические свойства. Это является принципиально новым направлением в разработке электронных устройств и не только.
Одним из уникальных примеров является возможность настройки электронных свойств 2D-слоистого графена путем изменения угла между слоями при скручивании. Учеными было установлено, что у таких материалов, как графен, возникают совершенно разные электрические свойства (от непроводящих до сверхпроводящих) в зависимости от угла скручивания между слоями.
Использование и перспективы
Как отмечалось в прошлом году в издании «РБК. Тренды», сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — пауэрбанк. Существуют также графеновые куртки и платья, освещенные светодиодами, которые реагируют на дыхание и температуру тела. Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара. Машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя, и т.д.
В будущем, считают аналитики РБК, биосовместимый чип с графеном может помочь диагностировать и лечить рак. Чипы с графеном можно будет использовать и для тестирования лекарств, и для определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов. А также производить определённые жидкости для буровых растворов.
Автор: Екатерина Воробьева
