Как в графене сделать щель?

Нет, речь идет не о том, чтобы просверлить в графене (монослое атомов углерода) дырку. Имеется в виду диэлектрическая (или полупроводниковая) щель в плотности электронных состояний.

Дело в том, что бесщелевой линейный закон дисперсии квазичастиц в графене (который, собственно, и определяет уникальные физические свойства графена) препятствует широкому использованию графена в наноэлектронике. Связано это с тем, что большинство (хотя и не абсолютное) электронных устройств (например, транзисторы) основано на полупроводниках, в электронном спектре которых имеется щель, отделяющая валентную зону от зоны проводимости.

Чтобы сформировать в графене такую щель, было предложено несколько способов, основанных преимущественно на ограничении движения электронов в одном или даже в двух направлениях, для чего из графена изготавливали полоски или квантовые точки [1,2]. Но это достаточно сложно и не очень практично. Гораздо более простой и изящный способ диэлектризации графена предложили испанские и американские физики в работе [3]. Они показали, что взаимодействие графена с подложкой может индуцировать в нем полупроводниковую щель шириной до 0.3 мэВ (рис. 1).

Schel__v_grafene.jpg Рис. 1. Схематическое изображение кристаллической (внизу) и электронной зонной (вверху) структуры изолированного графена (a), нитрида бора (b), эпитаксиального (осажденного на подложку) графена ©.

В чем причина появления этой щели? Вспомним, что отсутствие щели в изолированном графене (рис. 1a) связано с его специфической кристаллической структурой, представляющей собой две вложенные друг в друга эквивалентные подрешетки. В нитриде бора (рис. 1b) кристаллические слои имеют такую же структуру (и такое же число валентных электронов в элементарной ячейке), как и графен, но подрешетки уже неэквивалентны, так как одна состоит из атомов бора, а другая – из атомов азота. Такое нарушение симметрии и приводит к возникновению щели в спектре. В предыдущих работах после отщепления графенового слоя от ориентированного графита этот слой помещали на подложку SiO2, с которой он взаимодействует посредством очень слабых вандерваальсовских сил, не влияющих на его атомное строение и не нарушающих эквивалентность подрешеток.

Авторы [3] использовали в качестве подложки не SiO2, а SiC – материал, с которым графен взаимодействует гораздо сильнее. Поскольку только каждый второй атом углерода имеет соседа в подложке (рис. 1c), то это взаимодействие приводит, как и в нитриде бора, к неэквивалентности подрешеток и, соответственно, к диэлектризации спектра. По данным фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) с ростом толщины образца (то есть числа графеновых слоев N) щель быстро уменьшается и обращается в нуль при N>4 (рис. 2). Поскольку уровень Ферми в таком эпитаксиальном графене находится выше щели, то для того чтобы сместить его вниз, требуется небольшое дырочное допирование.

Schel__v_grafene_2.jpg Рис. 2. Зависимость полупроводниковой щели D от числа графеновых слоев в образце

Результаты работы [3] – это еще один шаг на пути к «углеродной электронике». Но не все настроены так оптимистично. Например, Константин Новоселов (один из «отцов» графена) считает, что для однозначного доказательства наличия полупроводниковой щели в изготовленных авторами [3] образцах нужны дополнительные тщательные исследования их электрических свойств. Так или иначе, а взаимодействие графена с подложкой может быть использовано для «инженерии» его электронной структуры.

Автор – Л. Опенов

  • 1. A.K.Geim, K.S.Novoselov, Nature Mater. 6, 183 (2007)
  • 2. M.Y.Han et al., Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007)
  • 3. S.Y.Zhou et al., Nature Mater. 6, 770 (2007)
  • 4. K.Novoselov, Nature Mater. 6, 720 (2007)
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

ПерсТ: Как в графене сделать щель?