При изучение электронных орбит многослойного графена обнаружились неожиданные пробелы энергии.
Ученые сделали еще один шаг к пониманию уникальных и зачастую непредсказуемых свойств графена - двумерной аллотропной модификации углерода, который очень интересен возможностью применения в электронике.
8 августа 2010 г., в он-лайновом издании журнала Nature Physics , ученые из Технологического института Джорджии и Национального института стандартов и технологии США (NIST) описали в первый раз, как орбиты электронов распределяются пространственно под воздействием магнитных полей, воздействующих на слои эпитаксиального графена. Они также установили, что орбиты электронов могут взаимодействовать с основой (подложкой), на которой выращивается графен. Появление энергетических щелей влияет на перемещения электронных волн по многослойным материалам. Эти энергетические щели будут значительно влиять на свойства материала при проектировании электроники на основе графена.
Это свойство энергетических щелей создает зоны, где перенос электронов не возможен. Электронным волнам приходится обходить эти зоны, что требует новой модели интерференции электронной волны. , говорит Филипп Н. В магнитном поле, электрон движется по круговой траектории, известной как циклотронная орбита, радиус которой зависит от величины магнитного поля и энергии электрона. Для постоянного магнитного поля, это немного напоминает вращение мраморного шарика в большой круглой чаше. При больших энергиях, шарик вращается высоко в чаше, а при более низких, орбита меньше и шарик ближе к центру , пояснил Филипп. Циклотронные орбиты в графене также зависят от энергии электронов и локального электронного потенциала, но до сих пор, изображения орбит не были получены напрямую . Помещенные в магнитное поле, эти орбиты обычно перемещаются практически вдоль линий постоянного электрического потенциала. Но если потенциал сделать колеблющимся, эти дрейфующие образования могут быть захвачены на холме или впадине в материале, которы1 содержит постоянные потенциальных контуров. Такой захват носителей заряда имеет важное значение для квантового эффекта Холла.
Целью исследования была орбита одного конкретного электрона: орбита нулевой энергии, которая является уникальной для графена. Т.к. электроны это материальные волны, вмешательство в материал влияет на отношение их энергии и скорости волны, и отраженных волн к входящим, объединив их можно изготавливать композитные материалы с медленными волнами. Электроны, движущиеся по уникальному путепроводу согласованы с углерод-углеродными связями в графене способом, при котором скорость волны остается одинаковой для всех уровней энергии. Помимо этого, исследователи обнаружили специфические области на поверхности графена, где орбитальная энергия электронов меняется от одного атома к другому. Это создает энергетической щели внутри изолированных частей поверхности. Изучив их распределения по поверхности в различных магнитных полях, было установлено, что энергетические щели появляются из-за слабого взаимодействия с подложкой, которая состоит из многослойного графена, выращенного на карбиде кремния.
Наложение графеновых листов друг на друга создает зоны, при муар выравнивании типа AA (все атомы имеют соседей в слое ниже), AB (только А атомы имеют соседей) или ВА (только у В атомов есть соседи). На рисунке, АА зоны сине-белые, А.В. и В.А. красные и желтые, соответственно.
В многослойном эпитаксиальном графене, каждый слой симметричной подрешекти вращается немного по другому. В ходе следующих исследований, ученые обнаружили, что это смещение делает возможным различить электронные свойства каждого слоя графена. Результаты исследований показали небольшое позиционно зависимое взаимодействие между слоями , сказал Дэвид Л. Миллер, первый автор и аспирант лаборатории. Это взаимодействие происходит только тогда, когда размер циклотронной орбиты, который уменьшается при увеличении магнитного поля, повышается и становится меньше размера наблюдаемых патчей .
Изначальное положение слоев зависит от взаимодействий и напоминает рисунок муар атомного выравнивания двух слоев графена. В некоторых участках, атомы одного слоя атомов лежат поверх атомов слоя ниже, тогда как в других участках, ни один из атомов не согласован атомами нижнего слоя. В третьих участках, половина атомов имеют соседей в подслое, в случаях где симметрия атомов углерода нарушается, уровень Ландау (дискретный уровень энергии электронов), распадается на две различные энергии.
Исследовали изучали образцы эпитаксиального графена, выращенного в лаборатории профессора Уолта де Хира, по методике разработанной его исследовательской группой. Для исследования электронной структуры графена техникой, известной как сканирующая туннельная спектроскопия, использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Сканирующий элемент перемещали по поверхности графена в 100 квадратных нанометров, а спектроскопические данные были получены с каждых 0,4 нм. Измерения проводились при 4,3 градуса по Кельвину, т.к. энергетическое разрешение пропорционально температуре. Сканирующий туннельный микроскоп изготовлен центром NIST, с использованием в сверхпроводящих магнитов для обеспечения магнитных полей, необходимых для изучения орбит.
Это исследование поднимает ряд вопросов, в том числе, каким образом энергетические пробелы влияют на передвижение электронов, как наблюдаемые эффекты могут влиять на бислойные графены в когерентных устройствах, и возможно ли новое явление контролировать? Это исследование является ступенью к пониманию тонкостей свойств графена , говорит Филипп. Этот материал отличается от всего, с которыми мы работали раньше в области электроники .
