Forskere sorterer gennem tolagsgrafen

Et internationalt team af forskere har organiseret de tilgængelige bibliografiske data om to -lags grafen, et højpotentiale materiale med mulige anvendelser inden for elektronik og optik. Anmeldelsen blev offentliggjort i Fysikrapporter .

Grafensuset

Udviklingen af ​​mikroelektronik er tæt forbundet med en søgen efter ny teknologi og materialer til brug i transistorer. Et lovende materiale, grafen, greb både forskernes og ingeniørernes opmærksomhed takket være dens usædvanlige mekaniske, elektriske, og optiske egenskaber. Grafenrushet startede i 2004 med udgivelsen af ​​et papir af Konstantin Novoselov og Andre Geim i Videnskab . Fra i dag, over 10, 000 artikler om grafen er blevet offentliggjort, og mere end tusind patenter vedrørende materialet er blevet udstedt.

Tolags grafen, eller bigrafen, er en af ​​de spændende former for grafen, som i øjeblikket vinder frem:Alene i 2014 og 2015, mere end 1, 000 artikler om bigrafen blev offentliggjort.

Dr. Alexander Rozhkov, en medforfatter til den aktuelle anmeldelse, opsummerer holdets præstation:"At skrive anmeldelsen om tolagsgrafen, vi brugte to år på at studere og organisere alle de mest betydningsfulde eksperimentelle og teoretiske fund på området. Som resultat, vi udgav en anmeldelse, der citerede omkring 450 videnskabelige artikler om tolagsgrafen og relaterede emner. Lige nu, det er den mest omfattende gennemgang, der omhandler problemet, både med hensyn til det store antal referencer og omfanget af emnet."

Hvorfor to er bedre end én

En af de attraktive træk ved grafen er dets mobilitet med høj ladning. Faktisk, det er snesevis af gange højere end den analoge mængde i silicium, go-to-materialet i moderne mikroelektronik. Elektroner og huller (elektron ledige stillinger) i grafen kan nemt og hurtigt bevæge sig under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Imidlertid, en transistor baseret på enkeltlagsgrafen har en væsentlig ulempe ved, at den ikke effektivt kan slukkes. Dette forklares ved, at grafen ikke har et båndgab, dvs. en række energiværdier, der er forbudt for dets elektroner. Følgelig, strømmen af ​​strøm gennem en sådan transistor kan ikke lukkes helt ned.

Den største fordel ved tolagsgrafen er muligheden for lokalt at inducere et båndgab og justere dets størrelse ved at anvende et stærkt elektrisk felt vinkelret på kulstofpladerne. Dette betyder, at det kunne bruges til at designe næste generations transistorer, der ville fungere hurtigere og bruge mindre energi, hvilket er særligt vigtigt for bærbare batteridrevne enheder. Ud over, muligheden for båndgap-tuning betyder, at der er endnu mere potentiale for applikationer inden for optoelektronik og sensorer.

Alligevel, en ægte mikroelektronikrevolution er endnu ikke kommet. Sammenlignet med almindelig grafen, en højkvalitets dobbeltlagsprøve er sværere at fremstille, da man skal kontrollere materialekvaliteten og præcisionen af ​​lagjustering for at bevare høj ladningsmobilitet og andre egenskaber.

Der er tre hovedtyper af bigraphen. I AA - stablet tolags grafen, lagene er justeret på en sådan måde, at hvert atom i det øverste ark sidder nøjagtigt oven på et atom i det nederste ark. I AB - stablet tolags grafen, lagene er overlejret på en anden måde, dvs., kun halvdelen af ​​atomerne i det øverste ark ligger over et atom, mens den anden halvdel ligger over midten af ​​en sekskant i krystalgitteret på det nederste ark (se fig. 1). I en anden variant, hedder snoet bigrafen, det ene lag roteres med en forudbestemt vinkel i forhold til det andet lag. Hver af de tre typer har sine egne særegne træk, som skal undersøges.

Grafen fremtid

Nu, mange af de oprindeligt foreslåede teoretiske skemaer og koncepter er blevet absorberet af det videnskabelige samfund. Forudsigelser lavet tilbage i præ-grafen-æraen (1980'erne og 90'erne) og kort efter begyndelsen af ​​grafen-rushet er blevet testet takket være de hurtige fremskridt, som eksperimentel grafenvidenskab har gjort i det sidste årti. På nuværende tidspunkt, videnskabsmænd er forpligtet til at finde anvendelser til materialet. Stadig, Grundforskere (der ikke søger nogen umiddelbar anvendelse) har også travlt med at løse nye problemer, der opstår inden for grafensystemer. For én ting, i hvilket omfang Coulomb-frastødningen mellem elektroner kan påvirke grafensystemernes egenskaber er stadig ukendt. For at løse dette spørgsmål, begreber, der er relativt nye inden for faststoffysik, diskuteres, f.eks., de marginale Fermi flydende og topologisk ordnede tilstande.

Forfatterne af gennemgangspapiret har studeret tolagsgrafen i seks år. De bidrog til forståelsen af ​​dette materiales elektroniske struktur. I særdeleshed, de undersøgte muligheden for spontan symmetri, der bryder ind AA -stablet tolags grafen. Forskerne forudsagde også teoretisk ustabiliteten af ​​elektronundersystemet i AA -stablede bigrafen og identificerede muligheden for antiferromagnetisk orden og rumligt inhomogene tilstande i et dobbeltlagssystem. Bortset fra det, forfatterne undersøgte enkeltelektrontilstande i snoet dobbeltlags grafen i forskellige vridningsvinkler og til forskellige supergittercellestørrelser, hvor forestillingen om en supergittercelle (aka moiré -mønstercelle; se figur 2) refererer til en relativt stor periodisk forekommende struktur i atommønsteret, som opstår, når to overlejrede grafenplader er snoet i forhold til hinanden.

Dr. Artem Sboychakov, en medforfatter af gennemgangen og en seniorforsker ved Laboratoriet nr. 1 af Instituttet for Teoretisk og Anvendt Elektrodynamik kommenterede offentliggørelsen af ​​anmeldelsen:"Det er et fælles træk ved alle systemer med et moirémønster, herunder snoet dobbeltlagsgrafen, der de er udstyret med ret kompleks fysik - mest på grund af deres strukturs forviklinger. Visse aspekter af deres adfærd, såsom virkningerne af interaktioner mellem elektroner, er endnu ikke fuldt ud forstået. Vi bør forvente en række spændende opdagelser på dette område. "

MIPTs Dr. Alexander Rakhmanov, som leder Laboratory No. udover rent analytiske tilgange, rollen som numeriske teknikker kan ikke overvurderes. De hjælper os med at finde svarene på mange af de vigtige teoretiske spørgsmål. Forfatterne af denne gennemgang forsker primært ved RIKEN Institute of Physical and Chemical Research i Japan og ved Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, som samarbejder tæt med MIPT's afdeling for elektrodynamik af komplekse systemer og nanofotonik. Mellem disse to nøgleinstitutter, vi har tilstrækkelig computerkraft til at udføre omfattende beregningsundersøgelser. Jeg tror, ​​at jeg kunne opsummere resultaterne af min egen forskning og de erfaringer, vi fik, mens vi skrev anmeldelsen, ved at sige, at vi kunne forvente, at grafen og systemer baseret på dette materiale forbliver en kilde til videnskabelig inspiration for mange forskere – både teoretikere og eksperimentelister – i de kommende år."