Изучены свойства трехслойного графена, зависящие от типа укладки атомов

На примере трехслойного графена группа ученых из США показала неожиданные электронные свойства материала, связанные с укладкой листов в многослойных структурах. Центральным вопросом эксперимента стала обнаруженная в трехслойном графене запрещенная зона для электронов.

Однослойный графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, расставленных в углах гексагональной кристаллической решетки. Впервые об этом материале заговорили в 2004 году, и практически с самой первой публикации графен вызывает повышенный интерес научного сообщества, благодаря своим неожиданным физическим свойствам.

В частности, хотя графен является двумерной системой, он оказался мягче шелка и прочнее стали. Кроме того, графен проводит тепло лучше, чем медь, а электричество – лучше, чем кремний. Слой графена является прозрачным для видимого излучения и достаточно упругим, в то же время не пропускает через себя ни одной молекулы.

Первоначально исследовательская активность была направлена на изучение однослойного графена. Многослойные «родственники» этого материала игнорировались, т.к. считалось, что их свойства во многом похожи на хорошо изученный графит. Однако в последнее время эта область вызывает повышенный интерес ученых, поскольку стало ясно: несколько слоев графена имеют множество уникальных свойств и возможных применений.

b_1415_1.jpg Рис. 1. Схематическое изображение двух типов укладки, доступных для трехслойного графена.

В частности, зонная структура многослойного графена может иметь запрещенную зону, что позволяет использовать его в цифровой электронике. Кроме того, этот материал допускает сильные электронные взаимодействия, что ведет к принципиально новым применениям графена.

Не менее интересной является зависимость свойств от типа укладки слоев, проведенные недавно группой ученых из University of California (США).

В большинстве случаев многослойный графен и кристаллы графита «упакованы» таким образом, что один из углов шестиугольника верхнего листа находится над центром шестиугольника нижнего листа.

Поскольку различные атомы в кристаллической решетке графена рассматриваются как не эквивалентные, в графене, имеющем N листов существует 2N-2 способов их укладки друг на друга. Способ расположения листов представляет собой инструмент для гибкой настройки электронных свойств многослойного графена.

В проведенном эксперименте ученые работали с трехслойным графеном, имеющим 2 принципиально разных типа упаковки атомов: разница между ними заключалась в том, что верхний слой атомов смещается в бок на один атом. Эта небольшая разница приводит к принципиально различным энергетическим структурам материала.

Эксперименты показали, что материал обладает высокой подвижностью электрических зарядов (до 100 раз выше, чем в кремниевых компонентах). При этом

трехслойный графен ведет себя, как полевой транзистор: его сопротивление меняется, в зависимости от количества электронов в листе (которое может настраиваться при помощи электрода затвора. В так называемой точке нейтральности заряда (charge neutrality point, CNP) сопротивление трехслойного графена достигает максимума.

По данным ученых в этой точки большая часть устройств на базе трехслойного графена демонстрирует «металлические» свойства, имея сопротивление порядка 5 – 10 Ом. Однако существуют конструкции, которые становятся изоляторами с сопротивлением около 1 – 10 МОм. Как показала спектроскопия комбинационного рассеяния, эти устройства относились строго к одному из типов укладки.

Измерения показали, что ширина запрещенной зоны в таких устройствах – порядка 6 мЭв и, скорее всего, она будет выше в более чистых образцах. Это существенно расходится с теоретическими предсказаниями о том, что при этих условиях трехслойный графен должен быть полупроводником с сопротивлением в несколько КОм. По мнению ученых,

разница возникает из-за иного электронного взаимодействия в этом типе упаковки.

Конечно, в этом направлении еще предстоят длительные исследования, однако опубликованная работа представляет собой базис для развития новых применений этого удивительного материала.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (5 votes)
Источник(и):

1. sci-lib.com

2. spie.org