Физики научились управлять порядком слоев в трехслойном графене

K. Sugawara et al./ NPG Asia Materials, 2018 K. Sugawara et al./ NPG Asia Materials, 2018

Японские физики разработали способ селективного получения трехслойного графена, с помощью которого можно контролировать точный порядок и взаимное положение слоев. Это позволяет управлять электронными свойствами графена, в частности, меняя линейную структуру электронных зон на параболическую, пишут ученые в NPG Asia Materials.

Структура кристаллов с гексагональной симметрией, как правило, определяется правилами плотнейшей шаровой упаковки, при которой атомы укладываются таким образом, чтобы занимать максимальный объем, и сводить к минимуму свободное пространство между собой. Такая упаковка представляет собой составленные в стопку гексагональные слои, в которой каждый следующий слой оказывается смещен относительно предыдущего. Всего возможно два варианта смещений, поэтому минимальное количество слоев разного типа в таком кристалле составляет два (в таком случае просто чередуются слои типов A и B), а максимальное — три (такие структуры могут быть упорядоченными, например, …ABCABC…, так и со случайным порядком слоев).

Поскольку гексагональную структуру решетки имеет и графен, то все эти правила верны как для графита, так и для графена, который образован не единственным слоем, а несколькими. В частности, если в трехслойном графене первые два слоя имеют структуру AB, то третий слой может иметь две возможные пространственные ориентации: A или C. Согласно теоретическим оценкам, в зависимости от типа слоя, у двух типов трехслойного графена должны быть различными и электронные свойства, однако до настоящего дня получить селективно один из двух типов графена и исследовать их свойства экспериментально не удавалось.

Японские физики под руководством Такаси Такахаси (Takashi Takahashi) из Университета Тохоку предложили способ получения трехслойного графена с управляемым порядком слоев. Для этого сначала на подложке из карбида кремния исследователи выращивали двухслойный графен, оставляя между графеном и подложкой еще один, буферный, слой, состоящий из атомов углерода и связанный со структурой карбида кремния. Условия для получения графена с разным порядком слоев отличались: в одном случае использовался отжиг в разреженной атмосфере аргона при температуре около 1500 градусов Цельсия, а в другом — отжиг в вакууме при температуре 1300 градусов. После отжига с помощью дополнительной обработки водородом при 500 градусах буферный слой заменялся на слой графена.

Кристаллическая структура трехслойного графена с двумя типами упаковки слоев (сверху) и соответствующая структура энергетических зон, рассчитанная теоретически (снизу). K. Sugawara et al./ NPG Asia Materials, 2018

Полученные трехслойные структуры авторы работы исследовали с помощью электронной микроскопии, а их электронные свойства изучали с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES). Согласно теоретическим предсказаниям, характерная для однослойного графена линейная связь между импульсом и энергией электронов (которая на энергетической диаграмме проявляется в форме правильного дираковского конуса) в одном из типов трехслойного кристалла должна полностью пропасть, а в другом — сохраниться лишь для одной из трех пар энергетических зон.

Данные измерений фотоэлектронной спектроскопии с формой энергетических зон трехслойного графена с двумя типами упорядочения слоев (справа — ABA, слева — ABC). K. Sugawara et al./ NPG Asia Materials, 2018

Экспериментальные измерения подтвердили, что две различные модификации трехслойного графена обладают разными электронными свойствами. В случае порядка слоев ABA образуются три энергетические зоны, две из которых сходятся на уровне Ферми (одна линейная, как в однослойном графене, а другая — параболическая), тогда как для графена типа ABC лишь в одна из трех пар зон имеет контакт на уровне Ферми, для двух других потолок валентной зоны расположен на уровне примерно 0,35 электронвольт ниже уровня Ферми.

Авторы работы отмечают, что подобное отличие в электронной структуре трехслойного графена, которым можно управлять просто с помощью расположения слоев друг относительно друга, открывает дополнительные возможности для создания электронных устройств на основе многослойных структур из двумерных кристаллов.

Стоит отметить, что уникальными свойствами (электронными, тепловыми и механическими), которые отличаются от свойств объемного кристалла, обладает графен, в котором содержится один, два или три углеродных слоя. Например, только двухслойный графен можно сжать в алмазоподобную структуру с повышенной поперечной жесткостью. Для структур, состоящих из четырех и более слоев, значительная часть свойств не отличается от свойств графита. Это же характерно и для других двумерных материалов, в частности дихалькогенидов переходных металлов.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

nplus1.ru