Группа исследователей из России, Китая и США, возглавляемая Артемом Огановым из Московского физико-технического института (МФТИ), при помощи компьютерного моделирования продемонстрировала возможность существования новой «плоской» формы углеродного материала. Этот материал, получивший название фаграфен (phagraphene), является самым ближайшим «родственником» известного всем графена, разнящимся от последнего структурой кристаллической решетки и некоторыми основными свойствами.

«В отличие от графена, имеющего однородную кристаллическую структуру, состоящую из шестигранных ячеек с атомами углерода в их вершинах, кристаллическая структура фаграфена состоит из упорядоченных особым образом пяти-, шести- и семиугольных углеродных колец. Свое название фаграфен получил от сокращения «Penta-Hexa-heptA-graphene»» — рассказывает Артем Оганов.

Двумерные материалы, состоящие из слоев, толщиной в один атом, являются объектами повышенного внимания со стороны ученых уже в течение нескольких последних десятилетий. Первый из таких материалов, графен, был обнаружен в 2004 году двумя бывшими российскими учеными, выпускниками МФТИ, Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые сейчас работают в Манчестерском университете. А в 2010 году Гейм и Новоселов стали Лауреатами Нобелевской премии в области физики за сделанное ими открытие.

Из-за уникальной двумерной структуры у графена имеется целый ряд уникальных электрических, оптических и физических свойств. Большинство полупроводниковых материалов способны пропускать электрический ток тогда, когда энергия электронов превышает ширину запрещенной зоны этих материалов. У таких материалов существует определенные диапазоны энергии электронов, валентной зоны и области проводимости, в которых они являются электрическими диэлектриками.

В графене у каждого атома углерода имеется три электрона, которые связаны с электронами соседних атомов. Четвертый электрон внешнего слоя остается несвязанным, что позволяет материалу проводить электрический ток и это определяет нулевую ширину запрещенной зона графена. Из-за этого электроны в графене ведут себя более чем странно, они все движутся с одной скоростью, сопоставимой со скоростью света и, при этом, не обладают моментом инерции. Создается такой эффект, будто бы электроны в графене обладают нулевой массой. Скорость движения электронов в графене составляет порядка 10 тысяч километров в секунду, в то время как в типовых полупроводниках электроны движутся со скоростью от сантиметров и сотен метров в секунду.

Фаграфен, обнаруженный группой Оганова при помощи программы под названием USPEX, с точки зрения поведения электронов почти подобен графену. В новом материале электроны также ведут себя как частицы, не имеющие массы.

«В фаграфене из-за разного количества атомов углерода в его кольцах, параметр, известный как «конус Дирака» имеет немного наклонную форму. Именно поэтому скорость движения электронов в этом материале зависит от направления движения, что делает этот материал отличным от графена. Это необычное свойство весьма интересно с точки зрения практического применения в таких устройствах, где необходимо держать под контролем скорость движения электронов» — рассказывает Оганов.

В остальном фаграфен обладает всеми другими уникальными свойствами графена, которые позволяют рассматривать этот материал в качестве перспективного материала для изготовления транзисторов, солнечных батарей, дисплеев и многих других электронных устройств.