Влияние многочастичных эффектов на ширину запрещённой зоны в углеродных нанотрубках

Знание точной величины ширины запрещённой зоны, а так же факторов влияющих на её изменение остаётся первостепенной задачей при использовании нанотрубок в молекулярной электронике. Французские физики предложили свой метод подобных исследований.

Одностенные углеродные нанотрубки получаются путем сворачивания графитовых листов (монослоев графена) в узкие полые цилиндры диаметром d~ 1 нм и длиной ~ 1 мкм. В зависимости от своей хиральности (определяемой конкретным типом сворачивания графена) нанотрубки могут быть либо металлическими (плотность электронных состояний на уровне Ферми отлична от нуля), либо полупроводниковыми (уровень Ферми находится в запрещенной энергетической зоне (Eg) – диэлектрической щели, ширина Eg которой уменьшается с ростом d по закону Eg ~ 1/d). Такой вывод первоначально был предсказан путем простых расчетов одночастичной электронной структуры нанотрубок, а затем подтвержден экспериментально сканирующей туннельной спектроскопией (СТС).

При этом теория и эксперимент для нанотрубок различного диаметра практически совпадали. Но поскольку нанотрубки представляют собой квазиодномерные объекты, то электрон-электронное взаимодействие в них должно быть гораздо более существенно, чем, например, в графене (и тем более – в трехмерных углеродных структурах). Поэтому большой интерес представляет исследование влияния многочастичных эффектов на электронное строение нанотрубок, в том числе на величину Eg.

В своей работе французские физики H.Lin и его коллеги измерили СТС-спектры отдельных нанотрубок в жгутах, полученных на подложках Au(111) дуговым разрядом, как показано на рис.1.

image003_1.jpgРис. 1. Топографическое изображение (40х40 нм2) жгута из нанотрубок на поверхности Au(111) Оказалось, что в полупроводниковых нанотрубках одинакового диаметра и хиральности щель Eg существенно зависит от положения нанотрубки в жгуте: для нанотрубки, непосредственно контактирующей с подложкой, величина Eg совпадает с одночастичными расчетами, но при этом на 20÷30 % меньше, чем для нанотрубок, расположенных на вершине жгута (рис. 2). Локальные дифференциальные ВАХ подложки, металлической нанотрубки и двух полупроводниковых нанотрубок, измеренные в указанных на рис.1 точках

Для последней же, напротив, экспериментальная величина Eg близка к расчетной с учетом кулоновского отталкивания электронов. Причиной уменьшения Eg в нанотрубках, лежащих на металлической подложке, является эффект экранирования, обусловленный потенциалом изображения. Ранее применительно к нанотрубкам этот эффект не учитывался (хотя и был известен из экспериментов по адсорбированным на металле молекулам), что приводило к заниженным (но согласующимся с одночастичной моделью!) величинам Eg. По мере удаления нанотрубки от подложки потенциал изображения ослабевает, и Eg выходит на константу, определяемую в значительной мере межэлектронными многочастичными взаимодействиями. Их вклад в Eg составляет ~ 0.5 эВ – около 50 %. Отметим, что знание истинных величин Eg в изолированных углеродных нанотрубках, а также понимание влияющих на Eg факторов чрезвычайно важно для практического использования нанотрубок в молекулярной электронике и спинтронике.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.7 (7 votes)
Источник(и):

1. Перст: Фуллерены и нанотрубки