Управлять электрическими свойствами графена будут с помощью воды

Ученые Томского политехнического университета с коллегами из других стран провели исследования и экспериментально показали, что вода на краях графеновых нанолент может менять электрические свойства таких устройств. Результаты работы в будущем могут лечь в основу создания новых видов сенсорных и нейроморфных устройств, сообщили в пресс-службе вуза.

При взаимодействии с водой наноразмерные материалы могут радикально менять свои электронные свойства (перенос заряда, образование локальных полей, появление ферроэлектрического отклика и многое другое). До конца ее влияние на такие материалы не изучено.

Ученые ТПУ совместно с коллегами провели серию экспериментов с однослойными и многослойными графеновыми наноразмерными материалами на подложках из нитрида бора. Из них изготавливали полевой транзистор, их помещали во влажную среду (22-26% относительной влажности) минимум на 30 минут и далее измеряли передаточные характеристики при температурах от 120 до 400 градусов Кельвина. Исследования проходили в двух средах — в вакууме и при контролируемой влажности воздуха.

«Коллективная динамика воды может стабилизировать ферроэлектрический эффект за счет образования водных кластеров, связанных межмолекулярными кулоновыми связями. Она позволяет наноразмерным материалам выдерживать сильные электрические поля и сохранять поляризацию. Наши эксперименты с откачкой и повторной „активацией“ водой графеновых материалов показали, что десорбция снижает ферроэлектрический отклик, а повторное увеличение влажности восстанавливает этот эффект. Таким образом, вода может выступать как переключатель дипольного поля под управлением внешнего поля и температуры», — отметил автор-корреспондент исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.

Результаты исследования ученых показали, что многослойные графеновые наноматериалы удерживают водяной диполь до одного часа дольше, чем однослойные. При этом у однослойных материалов ферроэлектрический отклик зависит от температуры — при ее увеличении поляризация снижается. А многослойные графеновые наноматериалы сохраняют ферроэлектрический отклик даже при высокой температуре.

«Важно отметить, что не просто наличие воды, а именно коллективное поведение водяных молекул на краях графеновых наноразмерных материалов управляет ферроэлектрическим эффектом. В многослойной системе кластеры воды образуют устойчивую связь, которая стабилизирует поляризацию и создает устойчивое электромагнитное поле. В однослойной системе такие связи практически отсутствуют, поэтому ферроэлектрический эффект менее устойчив к температурным колебаниям. Понимание этих процессов может лечь в основу создания новых типов водных переключателей для сенсорных устройств и нейроморфных вычислений» — добавил ученый.

В исследовании приняли участие ученые научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Университет Леобена (Австрия), Белградского университета (Сербия), Манчестерского университета (Великобритания), Венского технического университета (Австрия) и Национального института материаловедения (Япония).

Исследования ученых выполнены при поддержке федеральной программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communication (Q1, IF: 15,7).