Сайт переехал physreal.com

Связано это с тем, что большинство (хотя и не абсолютное) электронных устройств (например, транзисторы) основано на полупроводниках, в электронном спектре которых имеется щель, отделяющая валентную зону от зоны проводимости. Чтобы сформировать в графене такую щель, было предложено несколько способов, основанных преимущественно на ограничении движения электронов в одном или даже в двух направлениях, для чего из графена изготавливали полоски или квантовые точки [1,2]. Но это достаточно сложно и не очень практично. Гораздо более простой и изящный способ диэлектризации графена предложили испанские и американские физики в работе [3]. Они показали, что взаимодействие графена с подложкой может индуцировать в нем полупроводниковую щель шириной до 0.3 мэВ (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение кристаллической (внизу) и электронной зонной (вверху) структуры изолированного графена (a), нитрида бора (b), эпитаксиального (осажденного на подложку) графена (c).

В чем причина появления этой щели? Вспомним, что отсутствие щели в изолированном графене (рис. 1a) связано с его специфической кристаллической структурой, представляющей собой две вложенные друг в друга эквивалентные подрешетки. В нитриде бора (рис.1b) кристаллические слои имеют такую же структуру (и такое же число валентных электронов в элементарной ячейке), как и графен, но подрешетки уже неэквивалентны, так как одна состоит из атомов бора, а другая – из атомов азота. Такое нарушение симметрии и приводит к возникновению щели в спектре. В предыдущих работах после отщепления графенового слоя от ориентированного графита этот слой помещали на подложку SiO₂, с которой он взаимодействует посредством очень слабых вандерваальсовских сил, не влияющих на его атомное строение и не нарушающих эквивалентность подрешеток. Авторы [3] использовали в качестве подложки не SiO₂, а SiC – материал, с которым графен взаимодействует гораздо сильнее. Поскольку только каждый второй атом углерода имеет соседа в подложке (рис. 1c), то это взаимодействие приводит, как и в нитриде бора, к неэквивалентности подрешеток и, соответственно, к диэлектризации спектра. По данным фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) с ростом толщины образца (то есть числа графеновых слоев N) щель быстро уменьшается и обращается в нуль при N>4 (рис. 2). Поскольку уровень Ферми в таком эпитаксиальном графене находится выше щели, то для того чтобы сместить его вниз, требуется небольшое дырочное допирование.

Рис. 2. Зависимость полупроводниковой щели D от числа графеновых слоев в образце.

Результаты работы [3] – это еще один шаг на пути к "углеродной электронике". Но не все настроены так оптимистично. Например, Константин Новоселов (один из "отцов" графена) считает, что для однозначного доказательства наличия полупроводниковой щели в изготовленных авторами [3] образцах нужны дополнительные тщательные исследования их электрических свойств. Так или иначе, а взаимодействие графена с подложкой может быть использовано для "инженерии" его электронной структуры.

1. A.K.Geim, K.S.Novoselov, Nature Mater. 6, 183 (2007).

2. M.Y.Han et al., Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007).

3. S.Y.Zhou et al., Nature Mater. 6, 770 (2007).

4. K.Novoselov, Nature Mater. 6, 720 (2007).