Новые подробности об открытии перехода «металл — диэлектрик» в графеновых гетероструктурах

Группа физиков из Великобритании, России и Японии, в которую вошли лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новосёлов, продемонстрировала контролируемый переход «металл — диэлектрик» в графеновых устройствах (кратко об этом мы уже писали).

Перечисляя характерные черты графена, физики часто упоминают о проводимости, которая сохраняется при любой концентрации носителей заряда n — даже при «отсутствии» последних. Действительно, измерения вблизи точки нейтральности (в этой точке соприкасаются зависимости энергий электронов и дырок от квазиимпульса, в графене имеющие форму конусов), дают минимальную проводимость σmin, близкую к кванту проводимости е2/h, где h — постоянная Планка, а е — элементарный электрический заряд. У всех известных материалов столь малое значение σ вызывает переход «металл — диэлектрик» в условиях пониженной температуры.

Обычный графен, однако, не совершал такой переход даже при температуре жидкого гелия, что казалось совершенно нелогичным.

conductivity.jpg Рис. 1. Результаты измерения минимальной проводимости графена. Хорошо видно, что устройства, сильно различающиеся по величине подвижности носителей заряда, дают примерно одинаковые (~4•е2/h) значения проводимости в точке нейтральности. (Иллюстрация из журнала Nature Materials).

Чтобы исследовать этот феномен, авторы создали двуслойную гетероструктуру, составленную из графена и гексагонального нитрида бора BN. Процесс изготовления был разбит на несколько этапов: сначала учёные разместили на подложке из Si/SiO2 слой BN относительно большой (20–30 нм) толщины и покрывающий его монослой графена, нужный рисунок которого задавался по методикам электронно-лучевой литографии и травления в плазме кислорода, после этого на заготовку наносили тонкий (4, 12 или 16 нм) слой BN и второй монослой графена, тщательно совмещённый с первым, а завершалась операция формированием контактов из Au/Ti. При измерениях между двумя электрически изолированными монослоями прикладывалось напряжение Vt (см. рис. ниже), что увеличивало концентрацию носителей заряда в них. Обычно Vt фиксировалось на каком-то одном уровне, определяющем практически постоянное значение n в верхнем слое графена, а величина n в нижнем слое варьировалась с помощью напряжения Vb.

При слабом допировании — установке относительно низкой концентрации носителей — верхнего (управляющего) слоя поведение нижнего слоя ничем не отличалось от наблюдавшегося ранее, и экспериментаторы измеряли минимальную проводимость, равную ~4•е2/h. Нужный эффект дало сильное допирование (n > 1011 см–2): в таких условиях вблизи точки нейтральности при температуре менее 70 К в нижнем слое всё же наблюдался искомый переход «металл — диэлектрик».

devicei.jpg Рис. 2. Слева показана общая схема устройств, подготовленных для опытов и демонстрировавших высокую подвижность носителей заряда в (30–120)•103 см2/(В•с). Справа — снимок гетероструктуры, разные слои которой обозначены разным цветом. (Иллюстрация из журнала Nature Physics).

По мнению физиков, в предыдущих опытах этот переход подавлялся за счёт характерной для графена неоднородности распределения заряда, образования электронных и дырочных областей при нулевой средней концентрации электронов. В каждой такой области графен существенно отходит от точки нейтральности, сохраняя металлическую проводимость. По этой причине поведение графена становится «естественным» только в присутствии расположенного рядом управляющего слоя.

«Интересные физические эффекты в нашей работе сочетаются с технологическими новшествами, — отмечает г-н Гейм. — Соединение слоёв графена с нитридом бора может стать основой графеновой электроники».

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature Physics.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (6 votes)
Источник(и):

1. Манчестерский университет

2. compulenta.ru