Надо Знать

добавить знаний



Графен



План:


Введение

Графен - это отдельный атомный слой со структурой графита

Графен - одна из аллотропных форм углерода, моноатомный слой атомов углерода с гексагональной структурой. Графен был открыт в 2004 Андрея Гейма и Константином Новоселовым из Манчестерского универстету. За это открытие Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией по физике за 2010.



1. Перспективы в электронике

На основе графена уже созданы сверхчувствительные сенсоры (могут обнаруживать присутствие одного электрона), биосенсоры, миниатюрные конденсаторы высокой емкости, быстродействующие элементы энергонезависимой памяти нового поколения, модуляторы излучения, прозрачные сенсорные экраны с диагональю более 80 см. Обнадеживающими есть первые попытки применения графена в медицине (в частности при лечении опухолей). Фирма ИВМ создан полевые транзисоры на основе графена с быстродействием в 100 ГГц. Однако на пути появления серийных графеновых полевых транзисторов, которые могли бы в перспективе массово заменить кремниевые, стоит отсутствие в графене запрещенной зоны, что делает его вольт-амперную характеристику (зависимость проводимости канала от напряжения на затворе) симметричной относительно нуля напряжения и затрудняет получение двух состояний , которые можно было бы соотнести логическим "0" ТВ "1". Запретную зону в графене пытаются индуцировать на разный способ, используя гидрогенизированный графен (графан), флюорид графена, графеновые наноленты (зона возникает за счет дополнительного квантования еще по одному направлению), вводя в графен дефекты и напряжения. Однако в целом эта задача еще удовлетворительно не решен.


2. Общая характеристика

Графен похож по своему строению на отдельный атомный слой в структуре графита - атомы углерода образуют сотовую структуру с межатомного расстоянием 142 нм. Без опоры графен имеет тенденцию сворачиваться, но может быть устойчивым на подложке. Более того, графен был получен также без подкладки в свободном подвешенном состоянии, растянутый на опорах.

Гейм и Новоселов получили графен, сдирая графит с подложки слой за слоем. Им впервые в мире удалось отделить атомарный слой от кристалла графита.

Тогда же Гейм с сотрудниками предложили так называемый баллистический транзистор на базе графена. Графен открывает перспективы создания транзисторов и других полупроводниковых приборов с очень малыми габаритами (порядка нескольких нанометров). Уменьшение длины канала транзистора приводит к изменению его свойств. В наномире усиливается роль квантовых эффектов. Электроны перемещаются каналом баллистической, как волна де Бройля, а это уменьшает количество столкновений и, соответственно, повышает энергоэффективность транзистора.

Графен можно представить в виде "развернутой" углеродной нанотрубки. Повышенная мобильность электронов переводит его в разряд перспективных материалов для наноэлектроники.

Особенностью графена является его зонная структура с законом дисперсии, по форме аналогичный закон дисперсии релятивистских квантовых частиц. Элементарные возбуждения в графене описываются уравнениями аналогичными уравнению Дирака.

Поскольку с момента получения графена прошло не много времени, его свойства пока изучены не очень хорошо. Но первые интересные результаты экспериментов уже есть.


3. Свойства

3.1. Электронные свойства

По своим электронным свойствам графен отличается от трехмерного графита. Его можно охарактеризовать как полуметалл, или как сверхпроводник и нулевой шириной запрещенной зоны. Зона проводимости и валентная зона графена смыкаются, но не в центре зоны Бриллюэна, а в особых точках на ее краях. Этих точек шесть, они попарно эквивалентны, их называют точками Дирака. Как следствие, зоны непараболични, эффективная масса носителей заряда равна нулю. Приближенное квантовое уравнения движения, описывающий электронные возбуждения в графене, имеет форму, похожую на релятивистское уравнения Дирака. Закон дисперсии вблизи точек Дирака задается уравнением

E = v_F \ sqrt {k_x ^ 2 + k_y ^ 2} ,

где E - Энергия возбуждения, v_F - Скорость Ферми, k_x и k_y - Компоненты волнового вектора.

Такая зонная структура интересна для физиков, поскольку открывает перспективу моделирования релятивистских эффектов при скоростях, гораздо меньших скорости света. Роль скорости света играет в графене скорость Ферми v_F , Которая в 300 раз меньше.


3.2. Транспорт

Теоретически графен имеет нулевую плотность состояний в точках Дирака, соответствующие уровню Ферми при нулевой температуре, поэтому не должен проводить электрический ток. Однако, практически, он проводимость, сравнимую по величине со значением 4 e ^ 2 / h , Где e - элементарный электрический заряд, h - постоянная Планка. Причина проводимости сих пор окончательно не выяснена. Возможно, носители заряда попадают на графен с подложки, или причиной появления носителей заряда является коругована этаж материала, при которой носители заряда перераспределяются, а, возможно, причиной является примеси.

Для повышения проводимости в графен добавляют контролируемые примеси.


3.3. Оптические свойства

Несмотря на то, что графен моноатомный слой, он не совсем прозрачный, что и дает возможность видеть его. Способность графена поглощать свет в оптическом диапазоне не зависит от длины волны и равна \ Pi \ alpha ≈ 2,3%, где \ Alpha - постоянная тонкой структуры, фундаментальная константа, что имеет важное значение в квантовой электродинамике [1]. Необычные оптические свойства графена объясняются его зонной структурой - ширина запрещенной зоны равна нулю и зона проводимости и валентная зона НЕ параболические, как для электронов в большинстве твердотельных материалов, а конические.


3.3.1. Теория

В общем случае действительная часть динамической проводимости определяется формулой:

G_R = \ frac {\ pi e ^ 2} {\ omega} v (\ omega) ^ 2D (\ omega) \ left [f \ left (- \ frac {\ hbar \ omega} {2} \ right) - f \ left (\ frac {\ hbar \ omega} {2} \ right) \ right], \

где v (\ omega) - \матричный элемент скорости перехода с поглощением фотона, D (\ omega) - \плотность состояний в графене,: f (E) = \ frac {1} {\ exp (E / T) +1} \ статистический распределение Ферми-Дирака, E-\ энергия, T-\ температура и \ Omega - \ частота фотона.

Для графена плотность состояний примерно равна:

D (\ omega) \ approx \ frac {\ hbar \ omega} {t ^ 2a ^ 2} \ ,

где t - \ энергия переноса возбуждения с одного узла на другой (около 3 эВ), а a - \ межатомное расстояние (около 1.42 Ǻ).

v (\ omega) \ approx v_F \ approx \ frac {ta} {\ hbar} \ ,

где v_F - \скорость Ферми в графене. Произведение ta можно оценить с соотношения неопределенности :

ta \ approx 0.5h \ .

Таким образом, предельное масштабное значение для универсальной динамической проводимости будет определяться только через фундаментальные стали:

G_0 = \ frac {e ^ 2} {4 \ hbar} \ .

Данное значение и было подтверждено в опытах Кузьменко [1] в диапазоне энергий фотонов от 0.1 до 0.2 эВ.

Оптическая проницаемость графена может быть подана для одноатомного слоя в виде:

T_ {opt} = \ frac {1} {(1 + \ frac {2 \ pi G_0} {c}) ^ 2} = \ frac {1} {(1 + 0.5 \ pi \ alpha) ^ 2} \ approx 0.977 ,

где c - \скорость света. То есть она полностью определяется безразмерными фундаментальными величинами.

В общем случае наличия нескольких слоев:

1 - T_n = \ approx n \ pi \ alpha \ ,

где n = 1,2,3, ... число одноатомных слоев графена в образце. Для наглядности Нейро [2] использовал в своих образцах плавный переход от одноатомного в двухатомной графена, и с точностью до нескольких процентов подтвердил описанную теорию.


4. Исследования в Украине

Еще в конце 1980-х годов член-корреспондент НАН Украины Владимир Литовченко с сотрудниками (Институт физики полупроводников им.В.Лашкарьова НАН Украины) исследовал появление запрещенной зоны в деформированных ультратонких графитовых пленках (которые теперь принято рассматривать как многослойный графен). Сотрудники Института теоретической физики им.М.Боголюбова НАН Украины Валерий Гусынин и Сергей Шарапов предусмотрели в 2005 г. необычный целочисленный квантовый эффект Холла в графене. Экспериментальное наблюдение этого эффекта стало прямым доказательством безмассовыми характера электронов и дырок в графене. В.Гусинин и С.Шарапов также теоретически предсказали ряд других важных эффектов, в частности могут иметь применение в опотелектронних устройствах на основе графена. Академик Вадим Локтев из этого же института исследовал зонный спектр графена и паредбачив появление в нем энергетической щели в случае наличия дефектов в решетке. Группа исследователей из Института полупроводников им. В.Лашкарьова НАНУ изучает графен учитывая его полупроводниковые свойства. Руководитель группы - профессор, лауреат Государственной премии Украины Вячеслав Кочелапа [3]. Федор Васька и Максим Стриха из этого института являются авторами ряда работ по физике неравновесных носителей в графене, М.Стриха исследовал также явления, которые открывают возможность создания быстродействующей энергонезависимой памяти и бистабильных оптических систем и модуляторов излучения инфракрасного диапазона на основе графена на сегнетоэлектрических подложке .


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам