Ученые открыли новые свойства графена, позволяющие изменять его проводимость

Ученые из Великобритании, США, Китая, Южной Кореи, Японии и России, среди которых – нобелевские лауреаты Константин Новоселов и Андрей Гейм, открыли новые свойства графена, позволяющие изменять его проводимость.

Исследователи научились менять свойства энергетической щели у графена. С этой целью авторы нанесли графен на слой «белого графита», т.е. нитрида бора с графитоподобной гексагональной аллотропной модификацией (узлы решетки в этом случае заключены в правильный многоугольник). Ученые обнаружили, что эта комбинация дает возможность посредством регулирования взаимных ориентаций направлений в кристаллических решетках изменять у графена ширину энергетической щели. Это объясняется тем, что подложка из нитрида бора приводит к деформации графеновой решетки, из-за чего меняются ее проводящие свойства.

Эффект бабочки Хофштадтера в кристаллической решетке. Иллюстрация: Columbia University, Phys.org

Как выяснили физики, при угле наклона менее 1° между направлениями решеток графена и нитрида бора структура решетки нитрида бора практически совпадает с графеновой. При этом между атомами углерода в самой графеновой решетке угол увеличился на 1,8°, что привело к появлению энергетической щели. В случае, если углы наклона между направлениями решеток графена и нитрида бора были более 1°, энергетическая щель не возникала.

Благодаря наложению двух кристаллический решеток ученые смогли в образованной гетероструктуре воспроизвести эффект муарового узора в виде бабочки Хофштадтера, то есть фрактальной структуры, которая была описана в 1976 г. будущим нобелевским лауреатом Дугласом Хофштадтером. Данная структура в двумерном кристалле воспроизводит зависимость значений уровней энергии электрона от величины магнитного поля.

Бабочка Хофштадтера (1976 г.); по вертикали – величина магнитного поля, по горизонтали – энергия уровней электрона. Иллюстрация: Douglas Hofstadter

Бабочка Хофштадтера, смоделированная на Matlab. Иллюстрация Mytomi, Wikipedia.org

Ученые в своей работе исследовали разнообразные комбинации подложек из нитрида бора и образцов графена, применяя сканирующие зондовые методы (туннельный и атомный силовой), а также рамановскую методику спектроскопии.

Энергетической щелью (запрещенной зоной) называется интервал энергий, в котором, согласно квантовомеханической теории движения электронов в твердом теле, в идеальном кристалле не могут существовать электроны. Эта щель отвечает интервалу между зоной проводимости в кристалле и валентной зоной. Ширина этой щели в графене равняется нулю, но за счет введения подложки из нитрида бора ученые смогли деформировать кристаллическую решетку графена, создав в результате ненулевую энергетическую щель, позволяющую изменять свойства проводимости графена, в том числе, отключая ее.

Ранее исследователи также изучали свойства графена на подложках из нитрида бора, но впервые авторы в своей работе смогли обнаружить зависимость этих свойств от угла взаимной ориентации направлений кристаллических решеток. Благодаря работе ученых-физиков открываются новые возможности в применении графена в электронной промышленности.

Источник: Phys.org

Оставьте отзывОтмена