Нобелевская премия 2010
advertisement
Нобелевская премия 2010 • • • • • Андрей Гейм ( Andre Geim) (1958, Сочи, МФТИ, ИФТТ,ИПТМ) Константин Новоселов(Konstantin Novoselov) (1974,Нижний Тагил, МФТИ, ИПТМ) University of Manchester «Прорывные» эксперименты в двумерном материале графене "groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene." Аллотропные модификации Алмаз, графит, графен, Фуллерены ,углеродные нанотрубки Карбин С-С-С-С (СССР, 60 гг.) Лонсдейлит (гексагональный алмаз 1967, США) Кристаллическая структура графена Элементарная ячейка решетки Бравэ является решеткой с базисом и содержит два неэквивалентных атома А и В. Решетка типа «пчелиные соты» может рассматриваться как совокупность двух простых треугольных решеток Бравэ, образованных атомами А иВ Получение графена расщеплением Кусочки графена получают при механическом воздействии на графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и отщепляют раз за разом создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, Изображение в которые и представляют оптическом микроскопе интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую (горизонтальные размеры поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней плёнок составляют обычно прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас около 10 мкм). обозвали garbage scientists — мусорными учеными». «Эпитаксиальный» графен Графеновые слои растут на гексагональных 4H-SiC и 6H-SiC слоях при нагревании до 1300 С в сверхвысоком вакууме Зонная структура графена Зависимость энергии от волнового вектора электрона в графене. Верхняя поверхность – зона проводимости, нижняя – валентная зона Зона Бриллюэна графена Вблизи K –точки закон дисперсии имеет вид (p)=±v0p, v0108 см/с. Для двухслойного графена закон дисперсии (p)=±[-1/2+ (1/2)2 +(v0p)2] Электронный спектр в магнитном поле N 2v0eBN Спектр носителей заряда вблизи К точки, N=0,±1,… Очень важными состояниями являются состояния с N=0, которые всегда остаются на месте пересечения зон. Кратность вырождения этого состояния в два раза выше кратности вырождения остальных уровней Ландау. Спин-орбитальное взаимодействие, вероятно, очень слабое. Циклотронная масса на уровне Ферми mc=ћkF/v0 . Поскольку концентрация электронов (дырок) пропорциональна квадрату kF в двумерых системах, то циклотронная масса пропорциональна корню из концентрации электронов n mc =ћ(n)1/2/v0 Экспериментальные наблюдения корневой зависимости циклотронной массы от концентрации послужили доказательством линейного закона дисперсии электронов и дырок в графене. Простейшие свойства графена Обладает прочностью на разрыв 42 Н/м, в 100 раз прочнее стали такой толщины •Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у меди. Подвижность носителей заряда при комнатной температуре в качественном графене 200000 см2/Вс (в качественном n-GaAs ~10000 см2/Вс) Коэффициент поглощения света при нормальном падении (отношение поглощенной мощности к падающей) в широком интервале частот не зависит от частоты и определяется только мировыми постоянными! Концентрацией носителей заряда в графене легко управлять с помощью эффекта поля до 1013см-2. Электропроводность и электронный транспорт Подвижность носителей заряда при комнатной температуре в качественном графене 200000 см2/Вс (в качественном n-GaAs ~10000 см2/Вс). Каковы причины столь высокой подвижности? Слабое рассеяние. Энергия оптического фонона ~ 200 мэВ, что много больше энергии Ферми и тепловой энергии и поэтому опт. фононы практически не влияют на подвижность в (в GaAs ~ 36 мэВ). Кроме того в графене двумерные фононы, в отличие от обычных квантовых ям, а на них рассеяние слабее. Важной особенностью транспорта является туннелирование через барьеры с вероятностью порядка единицы – причина отсутствия локализации носителей заряда даже в «грязном» графене. Зависимость 100 нм барьера прозрачности от угла падения электронов с энергией 80 мэВ V0 = 200 meV V0 = 285 meV Особенности квантового эффекта Холла Продольное магнетосопротивление и холловская проводимость в графене как функции напряжения на затворе Последовательность плат имеет ожидаемую высоту ступенек, но сдвинута по сравнению со стандартной на 2e2/h, так что холловская проводимость выражается в виде: xy=4e2(N+1/2)/h где N –целое число, а множитель 4 обусловлен двукратным спиновым и долинным вырождением. Таким образом КЭХ в графене «полуцелый». Такое необычное поведение обусловлено спецификой квантования дираковских фермионов в графене. Из-за высокой подвижности КЭХ наблюдают в графене даже при комнатной температуре в сильных магнитных полях. Особенности межзонного поглощения света 1. Из-за бесщелевого характера спектра отсутствуют экситонные явления и связанные состояния примеси. 2. Действительная часть межзонной проводимости равна =e2/4ћ в области где закон дисперсии линеен. Это приводит к тому что коэффициент поглощения, обусловленный межзонными переходами равен e2/ћc. Эта область оказывается неожиданно большой. В дальнем ИК существенный вклад в оптические свойства вносит поглощение на свободных носителях Особенности межзонной рекомбинации Основные механизмы рекомбинации: Оже и рекомбинация с участием междолинных фононов. Экспериментально доказано, что примеси и дефекты существенно укорачивают времена рекомбинации. Особенности Оже рекомбинации: возможность только для электронов с однонаправленными импульсами. Время Оже рекомбинации из работы F.Rana Phys. Rev. B 76,155431 (2007). Рекомбинации соответствуют сплошные линии соответствуют Оже рекомбинации, пунктир - ударной ионизации. Черный цвет - Т=300 К, синий – Т=77 К, красный Т=10 К. Рекомбинация с участием междолинных фононов Рассчитанный спектр фононов в графене. F.Rana et al PRB,79,115447 (2009) Возможность создания транзистора на графене Высокая подвижность и малая толщина – привлекательные стороны для транзистора. Трудность с закрытием транзистора и с отсутствием насыщения тока истока вследствие отсутствия запрещенной зоны + туннелирование. Преодоление трудности – графеновые лены или многослойный графен + эффект поля (Штарка). Полевые транзисторы на графене Зависимости тока стока от напряжений на графеновом транзисторе с широким каналом Сравнение частот отсечки различных полевых транзисторов Возможность создания лазера на графене Предпосылки: возможность получения усиления в дальнем и среднем ИК диапазонах в графене с высокой подвижностью в условиях инверсной заселенности зон Трудности: пока неясно можно ли сделать инжекционную накачку, технология роста высококачественных графеновых слоев (желательно несколько десятков) пока очень слабо развита. F Лазер с резонатором Фабри- Перо Зависимость от частоты действительной части проводимости , нормализованной на величину для многослойной графеновой структуры с различным числом графеновых слоев К для МэВ и 50 мэВ. На вставке верхнего рисунка показано как населенность графеновых слоев изменяется с изменением k. Вставка на нижнем рисунке показывает зависимость от частоты в более широком диапазоне. Лазер с полосковой линией
