Графеновый бум может превратиться в бум прикладных нанотехнологий.
Необычные механические, электрические и оптические свойства графена открыли 13 лет назад два нобелевских лауреата Константин Новосёлов и Андрей Гейм. С тех пор графену посвятили более 10 тыс. публикаций и тысячи патентов.
Одной из интересных модификаций графена является двухслойный графен. Он быстро набирает популярность. Только в 2014–2015 годах двухслойному графену было посвящено более тысячи статей.
Группа учёных из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония), ИТПЭ РАН, МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики и Мичиганского университета(США) систематизировала информацию о двухслойном графене — перспективном для электроники и оптики материале. Свой обзор они опубликовали в журнале PhysicsReports.
Обзорные статьи помогают разобраться в накопившихся экспериментальных фактах, теориях и гипотезах. В отличие от результатов собственных исследований, такие статьи описывают состояние области в целом, выявляя актуальные направления и формулируя первоочередные задачи. Они экономят массу времени учёным по всему миру, ускоряя процесс передачи научной информации.
Один из соавторов обзора, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории № 1 Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ Александр Рожков рассказал, что для создания обзора по двухслойному графену авторский коллектив потратил два года, перебирая и систематизируя все самые существенные опубликованные результаты, как экспериментальные, так и теоретические. «Результатом этих усилий стала статья, цитирующая около 450 научных работ, посвящённых как собственно двухслойному графену, так и вспомогательным темам. Натекущий момент это наиболее полный обзор данной области и по объёму процитированной литературы, и по охвату тематик». – отметил он.
Чем два слоя графена лучше одного
Одна из причин привлекательности графена— высокая подвижность носителей заряда, в десятки раз больше, чем у кремния, основного материала микроэлектроники. Электроны и дырки(места для электронов) в графене легко и быстро перемещаются под действием внешнего электрического поля.
Нотранзистор, построенный на однослойном графене, невозможно эффективно «закрыть». Это связано с тем, что у графена нет запрещённой зоны(запрещённых энергетических состояний для электронов), а значит, через него всегда будет течь ток.
Основным преимуществом двухслойного графена является возможность локально создавать запрещённую зону и управлять её величиной, прикладывая разность потенциалов перпендикулярно слоям. Это значит, что на его основе может быть построено новое поколение транзисторов, обладающее лучшими быстродействием и энергоэффективностью, что особенно важно для создания портативных устройств, работающих на аккумуляторах. Кроме того, «настройка» запрещённой зоны расширяет возможности применения в оптоэлектронике и датчиках.
Правда,говорить о революции в микроэлектронике ещё рано. Получить качественные образцы двухслойного графена намного сложнее, чем однослойного. При этом электрические свойства двухслойного графена существенно зависят от качества и точности совмещения слоёв.
Существует три основных типа: AA — узлы кристаллической решётки слоёв графена находятся точно друг под другом, AB — второй слой графена развёрнут на 60° относительно первого(см.рис.1) и подкрученный — слои повёрнуты на произвольный угол. И каждый из них обладает своими особенностями, которые необходимо изучить.
Графеновое будущее
К настоящему моменту научное сообщество уже «переварило» большое количество теоретических идей и концепций раннего этапа. Предсказания, сформулированные ещё в дографеновую эпоху(80–90-е годы прошлого века), а также на начальных стадиях «графенового бума», были проверены экспериментально в последнее десятилетие благодаря бурному развитию графеновой экспериментальной науки. Сейчас графен ищет своё место в прикладных областях.
Новые задачи возникают и в фундаментальной (не имеющей непосредственного и очевидного прикладного значения) физике графеновых систем. Например, остаётся актуальным вопрос о влиянии межэлектронного отталкивания на свойства графеновых систем. В этой связи обсуждаются достаточно новые для физики твёрдого тела концепции, такие как маргинальная жидкость Ферми или топологически упорядоченные состояния.
Авторы статьи занимаются изучением двухслойного графена около шести лет. За это время они внесли свой вклад в понимание его электронной структуры. В частности, ими проведен анализ возможного спонтанного нарушения симметрии в графене типа AA (теоретически предсказано, что электронная подсистема в АА‑графене неустойчива), указана возможность возникновения антиферромагнетизма и пространственно-неоднородных состояний, а также исследовались одноэлектронные энергетические уровни подкрученного графена в зависимости от угла поворота и числа атомов в суперячейке (периодической структуре с большим количеством атомов, которая получается за счёт небольшого поворота атомных плоскостей относительно друг друга).
Артём Сбойчаков, соавтор обзора, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории № 1 ИТПЭРАН, прокомментировал: «Вообще системы с муаром, и подкрученный графен, в частности, обладают весьма богатой физикой, прежде всего, из-за их сложной структуры. При этом на сегодняшний день некоторые моменты, например эффекты электрон-электронного взаимодействия, остаются непроработанными. Поэтому в ближайшее время можно ожидать много интересных открытий в этой области исследований».