Ученые нашли способ управления электрическими свойствами графена с помощью воды
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международной научной коллаборации провели исследования и экспериментально показали, что вода на краях графеновых нанолент может менять электрические свойства таких материалов. Полученные результаты открывают перспективы для создания новых видов сенсорных и нейроморфных устройств.
При взаимодействии с водой наноразмерные материалы могут радикально менять свои электронные свойства, такие как перенос заряда, образование локальных полей, появление ферроэлектрического отклика и многое другое. Однако до конца влияние воды на электронные свойства наноматериалов пока не изучено.
Ученые ТПУ с коллегами провели эксперименты с однослойными и многослойными графеновыми наноразмерными материалами на подложках из нитрида бора. Образцы помещали во влажную среду, а затем измеряли их характеристики при разных температурах — как в вакууме, так и при контролируемой влажности.
«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», — рассказал один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Результаты исследования 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», — отметил ученый.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети».