Графен

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Графен — це окремий атомний шар зі структурою графіту

Графен — одна з алотропних форм вуглецю, моноатомний шар атомів вуглецю із гексагональною структурою. Графен був відкритий в 2004 Андрієм Геймом та Костянтином Новосьоловим із Манчестерського універстету. За це відкриття Гейм та Новосьолов були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 2010.


Перспективи в електроніці[ред.ред. код]

На основі графену вже створено надчутливі сенсори (можуть виявляти присутність одного електрона), біосенсори, мініатюрні конденсатори високої місткості, швидкодійні елементи енергонезалежної пам'яті нового покоління, модулятори випромінювання, прозорі сенсорні екрани з діагоналлю понад 80 см. Обнадійливими є перші спроби застосування графену в медицині (зокрема при лікуванні пухлин). Фірмою ІВМ створено польові транзистори на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц. Однак на перешкоді появі серійних графенових польових транзисторів, що могли б у перспективі масово замінити кремнієві, стоїть відсутність у графені забороненої зони, що робить його вольт-амперну характеристику (залежність провідності каналу від напруги на затворі) симетричною відносно нуля напруги і ускладнює отримання двох станів, які можна було б співвіднести логічним "0" та "1". Заборонену зону в графені намагаються індукувати на різний спосіб, використовуючи гідрогенізований графен (графан), флюорид графену, графенові нанострічки (зона виникає за рахунок додаткового квантування ще за одним напрямком), вводячи в графен дефекти і напруження. Однак в цілому це завдання ще задовільно не вирішене.

Загальна характеристика[ред.ред. код]

Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі графіту — атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною відстанню 0,142 нм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більше того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.

Гейм і Новосьолов отримали графен, здираючи графіт з підкладки шар за шаром. Їм уперше у світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.

Тоді ж Гейм із співробітниками запропонували так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен відкриває перспективи створення транзисторів й інших напівпровідникових приладів з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Зменшення довжини каналу транзистора приводить до зміни його властивостей. У наносвіті підсилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються каналом балістично, як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень й, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.

Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найперспективніших матеріалів для наноелектроніки.

Особливістю графену є його зонна структура із законом дисперсії, що за формою аналогічний закону дисперсії релятивістських квантових частинок. Елементарні збудження в графені описуються рівняннями аналогічними рівнянню Дірака.

Оскільки з моменту одержання графена пройшло не багато часу, його властивості поки вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів уже є.

Властивості[ред.ред. код]

Електронні властивості[ред.ред. код]

За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник із нульовою шириною забороненої зони. Зона провідності та валентна зона графена змикаються, але не в центрі зони Брілюена, а в особливих точках на її краях. Цих точок шість, вони попарно еквівалентні, їх називають точками Дірака. Як наслідок, зони непараболічні, ефективна маса носіїв заряду дорівнює нулю. Наближене квантове рівняння руху, що описує електронні збудження в графені, має форму, схожу на релятивістське рівняння Дірака. Закон дисперсії поблизу точок Дірака задається рівнянням

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

де  E - енергія збудження,  v_F - швидкість Фермі,  k_x та  k_y - компоненти хвильового вектора.

Така зонна структура цікава для фізиків, оскільки відкриває перспективу моделювання релятивістських ефектів при швидкостях, набагато менших від швидкості світла. Роль швидкості світла грає в графені швидкість Фермі  v_F , яка в 300 разів менша.

Транспорт[ред.ред. код]

Теоретично графен має нульову густину станів в точках Дірака, які відповідають рівню Фермі при нульовій температурі, тож не повинен проводити електричний струм. Однак, практично, він має провідність, порівняну за величиною зі значенням  4 e^2/h , де  e - елементарний електричний заряд, h - стала Планка. Причина провідності досі остаточно не з'ясована. Можливо, носії заряду потрапляють на графен із підкладки, або ж причиною появи носіїв заряду є коругована поверхня матеріалу, при якій носії заряду перерозподіляються, а, можливо, причиною є домішки.

Для підвищення провідності у графен додають контрольовані домішки.

Оптичні властивості[ред.ред. код]

Попри те, що графен моноатомний шар, він не зовсім прозорий, що й дає можливість бачити його. Здатність графену поглинати світло в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі й дорівнює  \pi \alpha ≈ 2,3 %, де  \alpha - стала тонкої структури, фундаментальна константа, що має важливе значення в квантовій електродинаміці[1]. Незвичайні оптичні властивості графену пояснюються його зонною структурою - ширина забороненої зони дорівнює нулю і зона провідності та валентна зона не параболічні, як для електронів у більшості твердотілих матеріалів, а конічні.

Теорія[ред.ред. код]

У загальному випадку дійсна частина динамічної провідності визначається формулою:

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], \

де v(\omega) - \ матричний елемент швидкості переходу з поглинанням фотона, D(\omega)- \ густина станів в графені, :f(E) = \frac{1}{\exp (E/T)+1} \ статистичний розподіл Фермі-Дірака, E- \ енергія, T- \ температура та \omega - \ частота фотона.

Для графену густина станів приблизно дорівнює:

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

де t - \ енергія переносу збудження з одного вузла на інший (близько 3 еВ), а a - \ міжатомна віддаль (близько 1.42 Ǻ).

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

де v_F - \ швидкість Фермі в графені. Добуток  ta можна оцінити з співвідношення невизначеності:

ta \approx 0.5h \ .

Таким чином, граничне масштабне значення для універсальної динамічної провідності буде визначатися тільки через фундаментальні сталі:

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

Дане значення і було підтверджене в дослідах Кузьменко[1] в діапазоні енергій фотонів від 0.1 до 0.2 еВ.

Оптична проникність графену може бути подана для одноатомного шару у вигляді:

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

де c - \ швидкість світла. Тобто вона повністю визначається безрозмірними фундаментальними величинами.

В загальному випадку наявності декількох шарів:

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

де n = 1,2,3,... число одноатомних шарів графену у зразку. Для наглядності Нейр[2] використовував в своїх зразках плавний перехід від одноатомного до двоатомного графену, і з точністю до декількох процентів підтвердив описану теорію.

Дослідження в Україні[ред.ред. код]

Ще наприкінці 1980-х років член-кореспондент НАН України Володимир Литовченко зі співробітниками (Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України) досліджував появу забороненої зони в деформованих ультратонких графітових плівках (які тепер прийнято розглядати як багатошаровий графен).

Співробітники Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України Валерій Гусинін і Сергій Шарапов передбачили в 2005 р. незвичайний цілочисельний квантовий ефект Холла в графені. Експериментальне спостереження цього ефекту стало прямим доказом безмасового характеру електронів і дірок у графені. В. Гусинін і С. Шарапов також теоретично передбачили низку інших важливих ефектів, які зокрема можуть мати застосування в опотелектронних пристроях на основі графену. Академік Вадим Локтєв з цього ж інституту досліджував зонний спектр графену і паредбачив появу в ньому енергетичної щілини в разі наявності дефектів у гратці. Група дослідників з Інституту напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАНУ вивчає графен з огляду на його напівпровідникові властивості. Керівник групи — професор, лауреат Державної премії України В'ячеслав Кочелап[3]. Федір Васько і Максим Стріха з цього інституту є авторами низки робіт з фізики нерівноважних носіїв у графені, М. Стріха досліджував також явища, що відкривають можливість створення швидкодійної енергонезалежної пам'яті та бістабільних оптичних систем і модуляторів випромінювання інфрачервоного діапазону на основі графену на сегнетоелектричній підкладці.

Посилання[ред.ред. код]

Дивіться також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б A. B. Kuzmenko, E. van Heumen, F. Carbone. and D. van der Marel. Universal dynamical conductance in graphite, Phys. Rev. Lett. 100, 117401 (2008).
  2. R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. 6 JUNE 2008 VOL 320 SCIENCE
  3. Українське «коріння» графену, «Ноосфера», 21 червня 2012

Ресурси інтернету[ред.ред. код]


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.