Наноразмерные материалы при взаимодействии с водой могут существенно менять электронные свойства, при этом влияние воды на такие материалы изучено не полностью. Ученые ТПУ совместно с коллегами провели эксперименты с однослойными и многослойными графеновыми наноразмерными материалами на подложках из нитрида бора. Из них изготовили полевой транзистор, выдерживали образцы во влажной среде (22–26% относительной влажности) не менее 30 минут и измеряли передаточные характеристики при 120–400 K. Измерения выполняли в двух условиях — в вакууме и при контролируемой влажности воздуха.
По словам автора исследования Рауля Родригеса, коллективная динамика воды может стабилизировать ферроэлектрический эффект за счет образования водных кластеров, связанных межмолекулярными кулоновыми связями. Эксперименты с откачкой и повторной «активацией» водой показали: десорбция снижает ферроэлектрический отклик, а повторное повышение влажности восстанавливает его, поэтому вода может работать как переключатель дипольного поля под управлением внешнего поля и температуры.
Результаты также показали, что многослойные графеновые наноматериалы удерживают водяной диполь до одного часа дольше, чем однослойные. У однослойных материалов ферроэлектрический отклик зависит от температуры, тогда как многослойные сохраняют ферроэлектрический отклик даже при высокой температуре.
Ключевым фактором является не само присутствие воды, а коллективное поведение молекул воды на краях графеновых наноразмерных материалов, которое и управляет ферроэлектрическим эффектом. В многослойной системе водные кластеры формируют устойчивую связь, стабилизируют поляризацию и создают устойчивое электромагнитное поле, а в однослойной такие связи почти отсутствуют, поэтому эффект хуже переносит температурные колебания.
Понимание этих процессов может стать основой для новых типов «водных переключателей» для сенсорных устройств и нейроморфных вычислений.
В работе участвовали ученые группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, а также партнеры из Университета Леобена (Австрия), Белградского университета (Сербия), Манчестерского университета (Великобритания), Венского технического университета (Австрия) и Национального института материаловедения (Япония).
