РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ученые разложили «по полочкам» двухслойный графен

Группа учёных из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония), ИТПЭ РАН, МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики и Мичиганского университета (США) систематизировала информацию о двухслойном графене — перспективном для электроники и оптики материале.
Тэги:
Ученые разложили «по полочкам» двухслойный графен

Графеновый бум

Развитие микроэлектроники тесно связано с поиском новых материалов и принципов работы транзисторов. Особое внимание инженеров и учёных привлекает графен — материал, обладающий необычными механическими, электрическими и оптическими свойствами. «Графеновый бум» стартовал в 2004 году, с выходом статьи Константина Новосёлова и Андрея Гейма, опубликованной в журнале Science. На сегодняшний день графену посвящено более 10 тыс. публикаций и более тысячи патентов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Одной из интересных модификаций графена является двухслойный графен. Он быстро набирает популярность. Только в 2014—2015 годах двухслойному графену было посвящено более тысячи статей. Разобраться в таком количестве экспериментальных фактов, теорий и гипотез — непростая задача, помочь справиться с которой призваны обзорные статьи. Обзоры играют особую роль в научном процессе: в отличие от оригинальных работ, представляющих на суд общественности исследования отдельных авторов или авторских коллективов, обзорные статьи описывают состояние области в целом, выявляя актуальные тренды и задачи и предлагая ориентиры в море библиографии. Изучение обзорных статей экономит учёным по всему миру огромное количество человеко-часов, ускоряя процесс передачи и восприятия научной информации, способствуя таким образом прогрессу науки. Это отмечает Александр Рожков, один из соавторов обзора, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории № 1 Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ: «Для создания обзора по двухслойному графену авторский коллектив потратил два года, перебирая и систематизируя все самые существенные опубликованные результаты, как экспериментальные, так и теоретические. Результатом этих усилий стала статья, цитирующая около 450 научных работ, посвящённых как собственно двухслойному графену, так и вспомогательным темам. На текущий момент это наиболее полный обзор данной области и по объёму процитированной литературы, и по охвату тематик». Новая статья опубликована в журнале Physics Reports.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Почему два лучше, чем один?

Двухслойный графен:
Тип AA — узлы кристаллической решётки слоёв графена находятся точно друг под другом Тип AB — второй слой графена развёрнут на 60° относительно первого
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Одна из причин привлекательности графена — высокая подвижность носителей заряда, в десятки раз больше, чем у кремния — основного материала микроэлектроники. Электроны и дырки (места для электронов) в графене легко и быстро перемещаются под действием внешнего электрического поля. Но транзистор, построенный на однослойном графене, невозможно эффективно «закрыть». Это связано с тем, что у графена нет запрещённой зоны (запрещённых энергетических состояний для электронов), а значит, через него всегда будет течь ток.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Основным преимуществом двухслойного графена является возможность локально создавать запрещённую зону и управлять её величиной, прикладывая разность потенциалов перпендикулярно слоям. Это значит, что на его основе может быть построено новое поколение транзисторов, обладающее лучшими быстродействием и энергоэффективностью, что особенно важно для создания портативных устройств, работающих на аккумуляторах. Кроме того, «настройка» запрещённой зоны расширяет возможности применения в оптоэлектронике и датчиках.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но говорить о революции в микроэлектронике ещё рано. Получить качественные образцы двухслойного графена намного сложнее, чем однослойного, при этом электрические свойства двухслойного графена (например, подвижность) существенно зависят от качества и точности совмещения слоёв. Существует три основных типа: AA — узлы кристаллической решётки слоёв графена находятся точно друг под другом, AB — второй слой графена развёрнут на 60о относительно первого (см. рис. 1) и подкрученный — слои повёрнуты на произвольный угол. И каждый из них обладает своими особенностями, которые необходимо изучить.

Графеновое будущее

Третий тип двухслойного графена — подкрученный. Белым цветом выделены границы суперячеек (ячеек муара)
Третий тип двухслойного графена — подкрученный. Белым цветом выделены границы суперячеек (ячеек муара)
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

К настоящему моменту научное сообщество уже «переварило» большое количество теоретических идей и концепций раннего этапа. Предсказания, сформулированные ещё в дографеновую эпоху (80−90-е годы прошлого века), а также на начальных стадиях «графенового бума», были проверены экспериментально в последнее десятилетие благодаря бурному развитию графеновой экспериментальной науки. Сейчас графен ищет своё место в прикладных областях. Новые задачи возникают и в фундаментальной (не имеющей непосредственного и очевидного прикладного значения) физике графеновых систем. Например, остаётся актуальным вопрос о влиянии межэлектронного отталкивания на свойства графеновых систем. В этой связи обсуждаются достаточно новые для физики твёрдого тела концепции, такие как маргинальная жидкость Ферми или топологически упорядоченные состояния.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Авторы статьи занимаются изучением двухслойного графена около шести лет. За это время они внесли свой вклад в понимание его электронной структуры. В частности, ими проведен анализ возможного спонтанного нарушения симметрии в графене типа AA (теоретически предсказано, что электронная подсистема в АА‑графене неустойчива), указана возможность возникновения антиферромагнетизма и пространственно-неоднородных состояний, а также исследовались одноэлектронные энергетические уровни подкрученного графена в зависимости от угла поворота и числа атомов в суперячейке (периодической структуре с большим количеством атомов, которая получается за счёт небольшого поворота атомных плоскостей относительно друг друга, см. рис. 2).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Артём Сбойчаков, соавтор обзора, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории № 1 ИТПЭ РАН, прокомментировал: «Вообще системы с муаром, и подкрученный графен в частности, обладают весьма богатой физикой, прежде всего, из-за их сложной структуры. При этом на сегодняшний день некоторые моменты, например эффекты электрон-электронного взаимодействия, остаются непроработанными. Поэтому в ближайшее время можно ожидать много интересных открытий в этой области исследований».

В свою очередь, Александр Рахманов, соавтор обзора, профессор МФТИ, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией № 1 ИТПЭ РАН, отметил: «У нашего коллектива есть серьёзный опыт теоретической работы в области учёта эффектов электрон-электронного взаимодействия. Сейчас, помимо чисто аналитических методов, ответы на многие интересные теоретические вопросы удаётся получить благодаря компьютерным средствам исследований, роль которых сейчас чрезвычайно высока. И Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН (базовый для кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники при ФПФЭ МФТИ), и Институт физико-химических исследований RIKEN в Японии — два основных учреждения, где работают представители авторского коллектива, — располагают весьма значительными вычислительными ресурсами, что даёт возможность производить серьёзные численные исследования. Резюмируя как собственный опыт исследовательской работы, так и впечатления, полученные в процессе работы над обзором, можно предполагать, что графен и системы на его основе будут оставаться источником научного вдохновения для многих исследователей: и теоретиков, и экспериментаторов — на годы вперёд».

Загрузка статьи...