Исследователи Университета Райса экспериментально доказали: крошечные складки в графене могут кардинально менять его электрическое поведение. Оказалось, что достаточно изменить геометрию материала на атомном уровне, чтобы управлять его свойствами — без добавления химических примесей.
В одноатомном слое графена естественно образуются очень острые наноскладки. Они заставляют электроны смещаться в одну сторону и создают противоположные электрические заряды — по сути, работают как миниатюрные батарейки. Этот эффект называется флексоэлектричеством: электрический заряд возникает из-за неравномерного изгиба материала.
Учёные сравнили резко изогнутые участки с плоским графеном с помощью специальных зондов, рамановской спектроскопии и компьютерного моделирования. Так удалось выделить влияние именно экстремальной кривизны.
«Наша работа показывает, что даже обычная складка может стать необычным электронным элементом, если рассматривать её на атомном масштабе», — отметил соавтор исследования профессор Пуликель Аджаян (Pulickel Ajayan).
Почему важна острота, а не высота
Острые наноскладки работают как электрические «лежачие полицейские»: они меняют локальную энергию электронов и генерируют стабильный ток уже при напряжении около одного вольта. Причём сила эффекта зависит в первую очередь от остроты изгиба, а не от его размера. Поляризация в таких складках оказалась в 100 тысяч — 10 миллионов раз сильнее, чем в гораздо более крупных флексоэлектрических системах.
«Острота складки оказалась гораздо важнее её общей величины, — объяснил ведущий автор работы Сатвик Аджаи Иенгар (Sathvik Ajay Iyengar). — Это говорит о том, что электрическое поведение можно настраивать, тщательно контролируя кривизну на наноуровне».
Ещё в 2008 году теоретик Винсент Мёнье (Vincent Meunier) предсказал, что сильный изгиб графена заставит электроны перестроиться и создать заряд. Математика была убедительной, но измерить напряжение на расстоянии в несколько атомов тогда не умели.
Годы спустя Иенгар и его коллега Маной Трипати заметили странные электрические сигналы именно в самых острых складках старых образцов. Они вернулись к Мёнье, и вместе с помощью современных методов наконец подтвердили предсказание восемнадцатилетней давности.
Управление электрическими свойствами через форму, а не через химию открывает новый подход к созданию ультратонкой электроники и высокочувствительных датчиков. Вместо легирования материала достаточно научиться контролировать его геометрию на наноуровне.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials. Они показывают: иногда дефект, который раньше считали помехой, может стать главным рабочим инструментом.
