Группа ученых из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония), Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики и Мичиганского университета (США) систематизировала информацию о двухслойном графене – перспективном для электроники и оптики материале. Итоги их работы изложены в статье, опубликованной в журнале Physics Reports, кратко о них сообщает пресс-релиз МФТИ.
Только в 2014–2015 годах двухслойному графену было посвящено более тысячи статей. Разобраться в таком количестве экспериментальных фактов, теорий и гипотез – непростая задача, помочь справиться с которой призваны обзорные статьи. Александр Рожков, один из соавторов обзора, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории № 1 Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ говорит: «Для создания обзора по двухслойному графену авторский коллектив потратил два года, перебирая и систематизируя все самые существенные опубликованные результаты, как экспериментальные, так и теоретические. Результатом этих усилий стала статья, цитирующая около 450 научных работ, посвященных как собственно двухслойному графену, так и вспомогательным темам. На текущий момент это наиболее полный обзор данной области и по объему процитированной литературы, и по охвату тематик».
Одна из причин привлекательности графена – высокая подвижность носителей заряда, в десятки раз больше, чем у кремния – основного материала микроэлектроники. Электроны и дырки (места для электронов) в графене легко и быстро перемещаются под действием внешнего электрического поля. Но транзистор, построенный на однослойном графене, невозможно эффективно «закрыть». Это связано с тем, что у графена нет запрещенной зоны (запрещенных энергетических состояний для электронов), а значит, через него всегда будет течь ток.
Основным преимуществом двухслойного графена является возможность локально создавать запрещенную зону и управлять ее величиной, прикладывая разность потенциалов перпендикулярно слоям. Это значит, что на его основе может быть построено новое поколение транзисторов, обладающее лучшими быстродействием и энергоэффективностью, что особенно важно для создания портативных устройств, работающих на аккумуляторах. Кроме того, «настройка» запрещенной зоны расширяет возможности применения в оптоэлектронике и датчиках.
Но получить качественные образцы двухслойного графена намного сложнее, чем однослойного, при этом электрические свойства двухслойного графена (например, подвижность) существенно зависят от качества и точности совмещения слоев. Существует три основных типа: AA – узлы кристаллической решетки слоев графена находятся точно друг под другом, AB – второй слой графена развернут на 60° относительно первого и подкрученный – слои повернуты на произвольный угол. И каждый из них обладает своими особенностями, которые необходимо изучить.
Тип AA — узлы кристаллической решётки слоёв графена находятся точно друг под другом. Тип AB — второй слой графена развёрнут на 60° относительно первого. Илл.: МФТИ
К настоящему моменту научное сообщество уже «переварило» большое количество теоретических идей и концепций раннего этапа. Предсказания, сформулированные еще в дографеновую эпоху (80–90-е годы прошлого века), а также на начальных стадиях «графенового бума», были проверены экспериментально в последнее десятилетие благодаря бурному развитию графеновой экспериментальной науки. Сейчас графен ищет свое место в прикладных областях. Новые задачи возникают и в фундаментальной (не имеющей непосредственного и очевидного прикладного значения) физике графеновых систем. Например, остается актуальным вопрос о влиянии межэлектронного отталкивания на свойства графеновых систем. В этой связи обсуждаются достаточно новые для физики твердого тела концепции, такие как маргинальная жидкость Ферми или топологически упорядоченные состояния.
Авторы статьи занимаются изучением двухслойного графена около шести лет. За это время они внесли свой вклад в понимание его электронной структуры. В частности, ими проведен анализ возможного спонтанного нарушения симметрии в графене типа AA (теоретически предсказано, что электронная подсистема в АА–графене неустойчива), указана возможность возникновения антиферромагнетизма и пространственно-неоднородных состояний, а также исследовались одноэлектронные энергетические уровни подкрученного графена в зависимости от угла поворота и числа атомов в супер-ячейке (периодической структуре с большим количеством атомов, которая получается за счет небольшого поворота атомных плоскостей относительно друг друга).
Артем Сбойчаков, соавтор обзора, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории № 1 ИТПЭ РАН, прокомментировал: «Вообще системы с муаром, и подкрученный графен в частности, обладают весьма богатой физикой, прежде всего, из-за их сложной структуры. При этом на сегодняшний день некоторые моменты, например, эффекты электрон-электронного взаимодействия, остаются непроработанными. Поэтому в ближайшее время можно ожидать много интересных открытий в этой области исследований».
