Свойства - Свойства графена

Графен по своим свойствам является полуметаллом с малым перекрытием зоны проводимости и валентной зоны. Носители заряда обладают высокой подвижностью, при комнатной температуре она достигает 104 см2/В*с, что значительно превышает подвижность носителей заряда основного материала современной электроники -- кремния. Это объясняется особой электронной энергетической структурой вблизи уровня Ферми. Дисперсия валентных состояний электронов здесь носит линейный характер, вследствие чего носители заряда обладают практически нулевой эффективной массой и аномально высокой подвижностью. Вследствие чего графен является лучшим проводником электрического тока, по сравнению с любой другой пленкой такой толщины. Графен является полуметаллом, поэтому при комнатной температуре он непригоден для создания полевых транзисторов, поскольку при приложении затворного напряжения всегда будет существовать ток утечки. Для решения этой проблемы необходимо миниатюризировать полоски графена, чтобы квантово-размерные эффекты привели к образованию запрещенной зоны. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы показали, что графеновые "наноленты" шириной не более 100 нм эффективно ограничивают движение носителей заряда в одном измерении, (это напоминает процесс, имеющий место в углеродной нанотрубке).

Ленты правильной ширины и кристаллической структуры, обладают полупроводниковыми свойствами и демонстрируют поведение, присущее квантам, в относительно существенном масштабе. В зависимости от краевой структуры, наноленты из графена проявляют металлические свойства (в случае границы типа "зигзаг"), так как в этом случае существуют краевые состояния без дисперсии, локализованные в непосредственной близости от края, либо полупроводника, имеют запрещенную зону, ширина которой определяется поперечным размером ленты (в случае границы типа "кресло"). Измерения проводимости таких лент при различных температурах показали, что при комнатной температуре электропроводность постепенно увеличивается вместе с напряжением и значительно уменьшается с уменьшением ширины ленты, это связано с тем, что энергетическая ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна ширине ленты и не зависит от выбора направления. Ценность графена определяется высочайшими значениями подвижности носителей заряда (при комнатной температуре он опережает кремний по этому показателю более чем в сто раз).Объяснение таким характеристикам физики видят в том, что электроны и дырки в графене обладают нулевой эффективной массой (другими словами, их скорость не связана с энергией) и "ведут себя" подобно фотонам. С этим же свойством принято ассоциировать другую "странность" нового материала. Известно, что при внесении проводника в магнитное поле его электроны начинают совершать круговые движения (прецессировать). Движение по окружности -- периодический процесс, который можно рассматривать как квантовый осциллятор, а энергия квантового осциллятора может принимать лишь дискретный ряд значений. Эти значения -- для обычного проводника -- эквидистанты; в графене же расстояния между энергетическими уровнями оказываются различными. Графен легко адсорбируют на своей поверхности различные примеси, и учет взаимодействия электронной системы представляет сложную задачу.

В частности, учет взаимодействия электронов графена и электронов примеси может привести к качественному изменению энергетического спектра (например, образованию щели в спектре) и, следовательно, к возможности распространения оптических импульсов. При этом энергетический спектр электронов становится непараболичным, приводит к существенной нелинейности электронных свойств углеродной наночастицы. На основе периодической модели Андерсона, которая предлагается для описания электронной подсистемы в углеродных нанотрубках и графене с примесями, методом функций Грина авторами работы получен закон дисперсии для электронов. В низкотемпературном пределе рассмотрена совместная динамика электронов и электромагнитного поля и получено эффективное уравнение, которое описывает распространение предельно коротких оптических импульсов, а также приведены решения данного уравнения в зависимости от параметров задачи. Уникальные электрические свойства делают графен одним из самых перспективных материалов в области наноэлектроники и приборов спинтроники. В частности, рассматривается возможность создания на основе графена быстродействующего транзистора с узким каналом, а также электронных устройств, основанных на управлении спином электронов.

Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих пленок графена, что должно увеличить подвижность.

Идеальную двумерную пленку в свободном состоянии нельзя получить из-за ее термодинамической нестабильности. Но если в пленке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая "неидеальная" пленка может существовать без контакта с подложкой. В эксперименте с использованием просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные пленки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5--10 нм и высотой 1 нм. В статье было показано, что можно создать свободную от контакта с подложкой пленку, закрепленную с двух краев, образуя, таким образом, наноэлектромеханическую систему.

В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, то есть использовать в качестве высокочувствительного сенсора. Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится графен, должна быть сильно легирована, чтобы ее можно было использовать в качестве обратного затвора, при помощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена, и напротив -- если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоев, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле. В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока, что, если следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию проводимости.

Но, как показывают эксперименты и теоретические работы, вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчета. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых образцов. В действительности все пленки графена соединены с подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведет к пространственной неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей теоретически не меньше, чем 1012 см2. Здесь проявляется отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно -- отсутствует переход металл-диэлектрик. Уникальные механические свойства графена открывают большие перспективы его практического применения в различных областях науки и техники. В частности, графен уже сейчас используется для разработки и создания нанорезонаторов. В такой ситуации особую актуальность приобретает разработка моделей, позволяющих описывать механические свойства графена и других углеродных наноструктур при различных видах нагружения. На практике для моделирования механического поведения углеродных структур часто применяются дискретно-континуальные модели. Явно учесть тепловое движение позволяет метод молекулярной динамики основанный на интегрировании классических уравнении движения взаимодействующих частиц.

При моделировании методом молекулярной динамики ключевую роль играют зоны взаимодействия между частицами (потенциалы взаимодейтсвия). В случае графена задача построения таких потенциалов усложняется тем, что связи между атомами являются направленными. Для решения данной проблемы часто применяются многочастичные потенциалы, зависящие от положения большого числа частиц. Указанные потенциалы с высокой точностью описывают физико-химические свойства графена. Однако при этом механические свойства, как правило, воспроизводятся с большой погрешностью. Абсолютное большинство известных многочастичных потенциалов неправильно описывают упругие модули графена (в частности, коэффициент Пуассона). Среди многочастичных потенциалов наиболее точно механические свойства графена описывает потенциал AIREBO адаптивные межмолекулярные связи эмпирического реактивного порядка.

Похожие статьи




Свойства - Свойства графена

Предыдущая | Следующая