Ученые нашли способ управлять графеном с помощью воды

Исследователи Томского политехнического университета вместе с зарубежными коллегами экспериментально доказали, что молекулы воды, находящиеся на краях графеновых нанолент, способны существенно влиять на их электрические характеристики. В перспективе это открытие может стать основой для разработки новых сенсорных и нейроморфных устройств, сообщили в пресс-службе ТПУ.

Известно, что при контакте с водой наноразмерные материалы могут резко менять свои электронные свойства — от переноса заряда и формирования локальных полей до появления ферроэлектрического отклика. Однако механизмы такого влияния до сих пор оставались изученными не полностью.

В рамках исследования ученые ТПУ провели серию экспериментов с однослойными и многослойными графеновыми наноструктурами, размещенными на подложках из нитрида бора. На их основе были изготовлены полевые транзисторы, которые затем выдерживали во влажной среде с относительной влажностью 22–26% не менее 30 минут. После этого специалисты измеряли передаточные характеристики устройств при температурах от 120 до 400 Кельвинов. Эксперименты проводились как в вакууме, так и при строго контролируемой влажности воздуха.

Как пояснил автор-корреспондент исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес, коллективная динамика молекул воды способствует стабилизации ферроэлектрического эффекта за счет формирования водных кластеров, связанных кулоновскими взаимодействиями. Это позволяет наноматериалам выдерживать сильные электрические поля и сохранять поляризацию. Эксперименты показали, что удаление воды снижает ферроэлектрический отклик, а повторное увлажнение полностью его восстанавливает. Таким образом, вода может выполнять роль своеобразного переключателя дипольного поля, управляемого внешним воздействием и температурой.

Результаты также продемонстрировали различия между однослойными и многослойными графеновыми структурами. Многослойные материалы способны удерживать водяной диполь примерно на час дольше, чем однослойные. Кроме того, у однослойного графена ферроэлектрический эффект ослабевает с ростом температуры, тогда как многослойные наноматериалы сохраняют его даже при высоких температурных значениях.

По словам ученых, ключевую роль играет не просто присутствие воды, а именно коллективное поведение водяных молекул на краях графеновых структур. В многослойных системах устойчивые водные кластеры стабилизируют поляризацию и формируют стабильное электромагнитное поле, тогда как в однослойных материалах такие связи практически не образуются. Понимание этих процессов может привести к созданию принципиально новых «водных» переключателей для сенсорных технологий и нейроморфных вычислений.

В исследовании участвовали специалисты ТПУ, Университета Леобена, Белградского университета, Манчестерского университета, Венского технического университета и Национального института материаловедения Японии.

Работа выполнена при поддержке программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030» в рамках нацпроекта «Молодежь и дети», а ее результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Источник: Наука.РФ