Исследователи Томского политехнического университета в составе международной научной коллаборации экспериментально продемонстрировали, что вода может влиять на электрические свойства графеновых нанолент. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Communications, могут лечь в основу разработки новых типов сенсорных устройств и компонентов для нейроморфных вычислений.

Учёные исследовали влияние влажной среды на однослойные и многослойные графеновые наноматериалы, размещённые на подложках из нитрида бора. Из этих материалов изготавливали полевые транзисторы, которые помещали в условия контролируемой влажности (22-26 процентов относительной влажности) не менее чем на 30 минут. Затем измерялись передаточные характеристики устройств при температурах от 120 до 400 кельвинов в двух средах: в вакууме и при заданной влажности воздуха.

Эксперименты показали, что коллективная динамика молекул воды, образующих кластеры на краях графеновых структур, способна стабилизировать ферроэлектрический эффект за счёт формирования межмолекулярных кулоновских связей. Это позволяет наноматериалам выдерживать сильные электрические поля и сохранять поляризацию. Процессы десорбции (удаления) воды снижали ферроэлектрический отклик, а повторное повышение влажности восстанавливало его, что указывает на возможность использования воды в качестве управляемого переключателя дипольного поля под воздействием внешнего поля и температуры.

Было установлено, что многослойные графеновые наноматериалы удерживают водяные диполи примерно на один час дольше по сравнению с однослойными структурами. Кроме того, однослойные материалы демонстрировали зависимость ферроэлектрического отклика от температуры: при её повышении поляризация снижалась. Многослойные же структуры сохраняли ферроэлектрический отклик даже при высоких температурах.

Ключевым выводом исследования стало понимание того, что не просто наличие воды, а именно коллективное поведение её молекул на границах графеновых нанолент управляет ферроэлектрическим эффектом. В многослойных системах водные кластеры образуют устойчивые связи, стабилизирующие поляризацию и создающие стабильное электромагнитное поле. В однослойных системах такие связи практически отсутствуют, что делает эффект менее устойчивым к температурным колебаниям.

В работе приняли участие специалисты Томского политехнического университета, Университета Леобена (Австрия), Белградского университета (Сербия), Манчестерского университета (Великобритания), Венского технического университета (Австрия) и Национального института материаловедения (Япония). Исследование выполнено при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» в рамках национального проекта «Молодёжь и дети».