Графен представляет собой один из наиболее значимых двумерных материалов, структура которого состоит из монослоя атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Исследования характеристик этого материала выявили ряд абсолютно уникальных свойств, представляющих очень высокую ценность для применения в области наноэлектроники. В частности, особое внимание исследователей уделяется исключительно высокой подвижности электронов, а также выдающимся показателям прочности, эластичности и теплопроводности графена. Тем не менее основным препятствием для его широкого внедрения в электронную промышленность является отсутствие полупроводниковых свойств у материала в исходном состоянии, в то время как современные электронные устройства базируются именно на использовании полупроводников. Ключевое различие между проводниками и полупроводниками заключается в наличии у последних запрещенной зоны, или энергетической щели.

то есть диапазон значений энергии, которые не могут занимать электроны данного кристаллического вещества. Энергетическая щель разделяет минимальные и максимальные значения энергии электронов кристалла.

Как рассказал профессор НИЯУ МИФИ Михаил Маслов, существует несколько способов создания запрещенной зоны в графене. Обычно ученые используют один из трех подходов: химическая модификация (например, фторирование или наводораживание), механическая деформация или создание двухслойной гетероструктуры, в которой запрещенная зона открывается за счет межслоевого взаимодействия.

Однако, говорит профессор НИЯУ МИФИ Константин Катин, все три способа имеют серьезные недостатки. Химическая функционализация часто необратима: чтобы очистить графен от функциональных групп, нужны высокие температуры и агрессивные среды, повреждающие его структуру. А некоторые функциональные группы, зацепившиеся за дефекты, все равно остаются и уменьшают подвижность электронов.

Механическая деформация слишком слабо влияет на запрещенную зону. «Согласно нашим предыдущим работам, растяжение графена на 10% (это почти предел, дальше он может порваться) приводит к открытию очень узкой запрещенной зоны в пределах 0,1 эВ. Та же проблема возникает и с гетероструктурами: неудивительно, что слабое ван-дер-ваальсово притяжение между слоями слабо меняет электронную структуру и не может обеспечить широкую запрещенную зону», — пояснил Константин Катин.

Чтобы решить проблему создания запрещенной зоны в графене, исследователи НИЯУ МИФИ в составе международной научной группы скомбинировали два подхода — межслойное взаимодействие и деформацию. Они перебрали многие пары двумерных «партнеров» графена и установили, что лучшее решение — гетероструктура на основе графена и дителлурида молибдена — вещества, чья молекула состоит из одного атома молибдена и двух атомов теллура.

«При деформации на 8% в графене открывается щель 0,8 эВ, что позволяет ему на равных конкурировать с классическими полупроводниками. И главное достоинство графена — напряжение можно обратимо прикладывать и убирать, возвращая графен в исходное состояние. Кроме того, деформируя гетероструктуру, можно подстраивать ширину ее запрещенной зоны под необходимое значение. Этим не может похвастаться ни один “обычный” полупроводник!» — рассказал Константин Катин.

Исследователи собираются продолжить работу и проверить предположение о том, что найденная гетероструктура может оказаться хорошим фотодетектором.

Для любознательных: Преодолевая запреты физики: как полупроводниковый графен и гетероструктуры меняют микроэлектронику

Главный недостаток классического графена в электронике — отсутствие запрещенной зоны, из-за чего созданные на его основе транзисторы невозможно полностью «выключить». Физики по всему миру решили эту проблему с помощью вандерваальсовых гетероструктур — искусственных «бутербродов», где слой графена комбинируется с другими двумерными материалами (например, гексагональным нитридом бора или борофеном). Такое совмещение раскрывает энергетическую щель, превращая графен в идеальный полупроводник и открывая путь к процессорам, которые работают в сотни раз быстрее кремниевых.

Зачем графену гетероструктура?

Сам по себе графен — углеродная сетка толщиной в один атом — обладает феноменальной подвижностью электронов. Но в цифровой технике ток должен не просто быстро течь, им нужно управлять: переключать систему между состояниями «ноль» (тока нет) и «единица» (ток есть).

Когда ученые накладывают графен на подложку или чередуют его со слоями других 2D-кристаллов, атомы разных материалов начинают взаимодействовать. Это локально искажает симметрию кристаллической решетки графена, искусственно создавая ту самую запрещенную зону (энергетический барьер). Материал сохраняет свои сверхпроводящие и прочностные свойства, но обретает логику полупроводника.

Что происходит в мире?

Глобальная кремниевая микроэлектроника уперлась в свой физический предел атомарного масштаба, поэтому ведущие технологические державы инвестируют миллиарды в посткремниевую эпоху.

• Китай (Прорыв в чистоте): В августе 2026 года китайские материаловеды совершили революцию, создав контролируемый метод выращивания сверхчистого ромбоэдрического графена без дефектов. Эта сложная конфигурация слоев позволяет создавать идеальные топологические кубиты для квантовых чипов, защищенных от внешних помех.
• США и Европа (Управление поворотом): Международные группы исследователей активно развивают концепцию «твистроники». Слои графена и нитрида бора в гетероструктуре поворачивают друг относительно друга на строго выверенный угол (так называемый «магический угол»). Это позволяет буквально «на лету» менять свойства материала: от полупроводника до изолятора или сверхпроводника.
• Спинтроника нового поколения: В июле 2026 года ученые представили новый класс ферромагнитных полупроводниковых структур на базе MXene-материалов, которые работают совместно с графеном. Они используют для переноса информации не только заряд электрона, но и его спин (магнитный момент), что снизит тепловыделение чипов до нуля.

Достижения и разработки в России

Российская научная школа исторически сильна в физике двумерных кристаллов (ведь именно выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли графен). Сегодня отечественные институты решают две главные прикладные задачи: теоретическое моделирование новых структур и чистый перенос пленок на подложки.

1. Технологический прорыв в переносе (МИСИС, РУДН, РХТУ)

В июне 2026 года консорциум российских ученых из НИТУ МИСИС, РУДН и РХТУ представил революционную технологию переноса графена на кремниевые пластины. Раньше при переносе графена с металлической подложки использовался полимер ПММА, который оставлял грязь и микротрещины, портившие полупроводниковые свойства. Российские физики применили новый полимер — полибутилметакрилат. Результат: количество дефектов снизилось до минимума, а электрическое сопротивление графена на пластине упало почти в 18 раз. Это критически важно для создания гибкой электроники и коммерческих ВТ-устройств.

2. Моделирование новых гетероструктур (НИЯУ МИФИ и ННГУ)

• Ученые НИЯУ МИФИ разработали и стабилизировали уникальные пористые гетероструктуры из графена и борофена (2D-бора).
• В Нижегородском государственном университете (ННГУ) физики детально рассчитали транспортные свойства планарных гетероструктур. Они научились создавать пространственно-модулированную запрещенную зону в графене за счет его контакта с чередующимися слоями диоксида кремния и гексагонального нитрида бора.

3. «Перезапись» свойств (Томский политехнический университет)

В начале 2026 года исследователи из ТПУ разработали лазерную технологию, позволяющую локально менять степень окисления графена с микрометровой точностью. Это дает возможность буквально «писать», «стирать» и «перезаписывать» полупроводниковые и оптические свойства на одной углеродной платформе.

Итог

Мир стоит на пороге перехода от кремния к углероду. Гетероструктуры на основе полупроводникового графена — это ключ к суперкомпьютерам будущего, гибким смартфонам-невидимкам и сверхбыстрой связи 6G. Российская наука здесь занимает прочные позиции, предлагая уникальные методы интеграции графена в существующие фабричные микроэлектронные процессы.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Diamond and Related Materials​​.

Автор: Ирина Усик
Источник: https://scientificrussia.ru/