Свойствами графена можно управлять при помощи механики
 Деформация графеновых мембран. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Графен представляет собой слой атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку. Этот материал отлично проводит электричество, благодаря тому, что электроны проходят через него на очень высоких скоростях, практически не испытывая сопротивления. Однако высокая проводимость графена является не только преимуществом, но и недостатком, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, проводят ток даже в выключенном состоянии. Это влечет за собой потерю мощности, кроме того, это означает, что подобные устройства не могут быть собраны на компьютерном чипе, на подобии сегодняшних кремниевых транзисторов.
Хотя формально графен является полупроводником, в отличие, например, от кремния, он не имеет энергетической запретной зоны между зонами проводимости и валентности. Именно эти запретные зоны позволяют полупроводниковым устройствам иметь два состояния: включенное и выключенное. Различные научные группы по всему миру предложили уже не один способ решения этой проблемы. Например, при помощи сокращения листов графена до наноразмерных лент или химического изменения материала. Хотя эти методы в принципе подходят для превращения графена в более «удобный» полупроводник, на деле они также повреждают материал. Таким образом, в результирующих устройствах электроны уже не могут продемонстрировать такой подвижности, как в первоначальном листе графена.
Свое решение этой проблемы предложила группа ученых из National Institute of Standards and Technology (США). Согласно последней опубликованной работе ученых, электронными свойствами графена можно управлять при помощи создания в материале механического напряжения. По их мнению, оно оказывает на материал практически такое же воздействие, как сильные магнитные поля, создавая в определенных областях квантовые точки. Последние представляют собой крошечные полупроводниковые структуры, в которых электроны оказываются «зажаты» в пространстве по всем трем измерениям, за счет чего квантовые точки имеют ряд уникальных электронных и оптоэлектронных свойств.
Свои эксперименты ученые проводили на так называемых графеновых «мембранах», представляющих собой пластины графена, размещенные поверх отверстий в диоксиде кремния, диаметр которых составлял 1 микрон. Диоксид кремния выращивался на кремниевой поверхности, выступающей также в роли затвора (при подаче напряжения между кремнием и графеном). Механическое напряжение графеновой «мембраны» создавалось при помощи острия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволяющего контролировать, насколько была изменена форма «мембраны».
Эксперименты показали: как только в графене возникает механическое напряжение, свободные носители заряда (электроны и дырки) начинают двигаться по круговым траекториям, вместо прямолинейных. Ученые утверждают, что с математической точки зрения приложение механического напряжения можно сравнить с фиктивными магнитными полями. При изгибе графеновой мембраны с помощью острия СТМ, она «натягивается» в форме конуса, а электроны и дырки оказываются «пойманными в ловушку» в районе его вершины, как это было бы в квантовой точке. Такой результат на эксперименте был получен впервые, и теперь потребуется определенное время на то, чтобы смоделировать его с помощью теории.
По мнению ученых, в будущем создание полупроводниковых зон в графене при помощи простого изменения формы поможет сочетать в одном устройстве наиболее полезные из свойств графена и его модификаций: высокую скорость распространения электронов с шириной запрещенной зоны. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Science.
Также по теме:
- Ученые разработали новые техники производства органических светодиодов
- «Покрывало» из графена охлаждает транзисторы
- Фотоприемник, созданный из графена и квантовых точек, бьет рекорды
- Улучшены характеристики графенового транзистора за счет изменения его конструкции
- Графен позволит создавать гибко настраиваемые устройства, работающие на терагерцовых частотах
Источники: