Российские учёные совершили прорыв в области углеродной наноэлектроники. Исследователи из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» впервые в деталях описали механизм превращения диамана — двумерной алмазоподобной структуры — в графен. Результаты работы, опубликованные в престижном научном журнале Diamond & Related Materials, открывают путь к созданию гибридных материалов, сочетающих в себе свойства проводника и диэлектрика в пределах одного нанообъекта.

Что такое диаман и почему он интересен

Диаман, или «двумерный алмаз», представляет собой структуру из двух слоёв графена, соединённых между собой прочными химическими связями — такими же, как в обычном алмазе. Графен — это моноатомный слой углерода с гексагональной решёткой, обладающий выдающейся электропроводностью. Алмаз же — идеальный диэлектрик с широкой запрещённой зоной.

Соединив эти два материала, учёные получили структуру, которая сочетает в себе твёрдость алмаза, уникальные электронные свойства и возможность управлять проводимостью. Диаман может выступать как в роли проводника, так и в роли изолятора в зависимости от обработки. Именно эта двойственность делает его идеальным кандидатом для создания полностью углеродной электроники нового поколения.

Как происходит превращение: пошаговый механизм

До недавнего времени оставался открытым вопрос: что происходит с диаманом при нагревании? Учёные МИФИ — доцент Алексей Подливаев и профессор Константин Катин — с помощью сложного компьютерного моделирования проследили этот процесс в мельчайших деталях.

Механизм превращения оказался похож на цепную реакцию. Всё начинается с отрыва одного атома водорода от поверхности материала. Этот процесс требует значительной энергии — 2,59 электрон-вольт, что объясняет высокую термостабильность диамана. Но как только первый атом водорода покидает своё место, процесс становится необратимым.

Образовавшаяся «вакансия» создаёт зону напряжения, которая провоцирует отрыв соседнего атома водорода — но уже с противоположной стороны углеродного «сэндвича». Так формируется «дивакансия» — своего рода катализатор для дальнейшей деградации материала.

«Мы обнаружили, что после образования дивакансии начинается цепная реакция, — пояснили учёные. — Атомы водорода вблизи этого дефекта начинают покидать свои места одна за другой, и область «обезвоживания» растёт как снежный ком».

В этих дегидрированных областях межслойные алмазные связи между графеновыми слоями разрываются, и материал превращается в обычный диэлектрический биграфен. При этом окружающие области, где водород сохраняется, продолжают оставаться диаманом. Так в рамках одного материала возникает наноструктура, сочетающая в себе проводящие и диэлектрические свойства.

Квантовые точки размером с атом

Кульминацией исследования стало определение минимального размера стабильного «островка» диамана. Учёные выяснили: для сохранения алмазных свойств достаточно всего лишь 8 атомов водорода. Такой наноразмерный домен, диаметром всего 0,3 нанометра, может служить квантовой точкой — основой для будущих сверхминиатюрных электронных компонентов.

«Частично дегидрированный диаман, содержащий как диэлектрические домены диамана, так и проводящие области биграфена, может стать ключевым материалом для полностью углеродной 2D-наноэлектроники», — заявили авторы исследования.

От теории к практике: что дальше

Открытие российских учёных показывает, что диаман — это не просто экзотический лабораторный курьёз, а реальный кандидат для создания электронных схем на нанометровом уровне. Благодаря двумерной структуре возможно размещение значительно большего количества элементов в одном устройстве по сравнению с традиционными микросхемами.

Профессор Константин Катин, руководитель лаборатории 2D-наноматериалов МИФИ, отметил, что углеродная основа материала делает его перспективным для интеграции электроники с живыми тканями. Среди возможных направлений применения — наноинтерфейсы и даже создание насекомых-киборгов, оснащённых сенсорами, камерами и процессорами с алгоритмами искусственного интеллекта для работы в сложных условиях.

Напомним, что это не единственное достижение МИФИ в области алмазных технологий. В 2025 году на базе университета был создан Научный центр мирового уровня «Электронные и квантовые технологии на основе синтетического алмаза» с бюджетом 960 миллионов рублей. Исследователи также занимаются предсказанием строения новых двумерных материалов — диаманов на основе аллотропных модификаций графена. Сейчас учёные планируют спроектировать транзисторы и другие устройства на основе новых диаманов.

Таким образом, работа физиков МИФИ не просто описывает фундаментальный процесс, а закладывает основу для технологий, которые через несколько лет могут кардинально изменить микроэлектронику — от квантовых компьютеров до интерфейсов «мозг-машина».