Нобелевская премия 2010

реклама
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, v0108 см/с.
Для двухслойного графена закон дисперсии (p)=±[-1/2+ (1/2)2 +(v0p)2]
Электронный спектр в магнитном поле
 N   2v0eBN
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
Скачать