«В 2004 году началась эпоха графена, ознаменованная публикацией статьи Константина Новоселова и Андрея Гейма. На текущий момент существует более 10 тысяч научных работ и свыше тысячи патентов, связанных с этим материалом.
Группа исследователей из Института физико-химических исследований RIKEN, расположенного в Японии), ИТПЭ РАН, МФТИ, Сотрудники Всероссийского НИИ автоматики и Мичиганского университета (США) провели систематизацию информации о двухслойном графене — материале, представляющем интерес для электроники и оптики. Статья опубликована в журнале Physics Reports.
Графеновый бум
Развитие микроэлектроники неразрывно связано с поиском новых материалов и принципов работы транзисторов. Графен, обладающий уникальными механическими, электрическими и оптическими свойствами, привлекает значительный интерес инженеров и ученых. «Графеновый бум» начался в 2004 году с публикацией статьи Статья, принадлежащая Константину Новоселову и Андрею Гейму и опубликованная в журнале Science, породила значительный интерес к графену. На текущий момент существует свыше 10 тыс. научных публикаций и более тысячи патентов, связанных с этим материалом.
Двухслойный графен представляет собой одну из заманчивых модификаций графена, которая стремительно завоевывает признание. Количество публикаций, посвященных ему, возросло: уже в период с 2014 по 2015 год было издано более тысячи статей. Понимание такого обилия экспериментальных данных, теорий и гипотез требует значительных усилий, и именно для этого создаются обзорные работы. Обзорные статьи выполняют важную функцию в науке: в отличие от первичных исследований, демонстрирующих результаты работы отдельных авторов или групп, они дают всестороннее представление о текущем состоянии области, определяют актуальные направления и задачи, а также служат руководством в обширной библиографии.
Обзорные статьи существенно экономят время ученых во всем мире, ускоряя обмен и понимание научной информации и, как следствие, стимулируя научный прогресс. Об этом говорит Александр Рожков, один из авторов обзора, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории № 1 Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ: «Для создания обзора по двухслойному графену авторский коллектив потратил два года, перебирая и систематизируя все самые существенные опубликованные результаты, как экспериментальные, так и теоретические.
В результате проделанной работы была подготовлена статья, содержащая ссылки на приблизительно 450 научных публикаций, рассматривающих как двухслойный графен, так и смежные вопросы. В настоящее время это наиболее исчерпывающий анализ данной области, как с точки зрения количества процитированных источников, так и с точки зрения охвата рассматриваемых тем».
Почему два лучше, чем один?
Высокая подвижность носителей заряда, во много раз превышающая показатели кремния – базового материала для микроэлектроники, делает графен весьма привлекательным материалом. Под воздействием внешнего электрического поля электроны и дырки (отсутствующие электроны) в графене перемещаются легко и с высокой скоростью. Однако создание эффективного транзистора на основе однослойного графена затруднено из-за отсутствия у него запрещенной зоны (диапазона энергетических состояний, недоступных для электронов), что приводит к постоянному протеканию тока.
Двухслойный графен обладает ключевым преимуществом: его запрещенная зона может быть локально сформирована и ее размер регулируется путем изменения потенциальной разности, приложенной перпендикулярно к слоям. Это позволяет создавать на его основе новое поколение транзисторов, благодаря высокой скорости работы и энергоэффективности, этот материал идеально подходит для создания портативных устройств, питающихся от аккумуляторов. Расширение диапазона запрещенной зоны также открывает новые возможности для его использования в оптоэлектронике и при создании датчиков.
Хотя говорить о революции в микроэлектронике пока преждевременно, получение качественных образцов двухслойного графена представляет собой более сложную задачу, чем получение однослойного. Электрические характеристики двухслойного графена, такие как подвижность носителей заряда, в значительной степени зависят от качества и точности совмещения слоев. Выделяют три основных типа структуры: AA – кристаллическая решетка слоев графена расположена непосредственно друг над другом, AB – второй слой повернут на 60° относительно первого (см. рис. 1) и подкрученный – слои повернуты на произвольный угол. И каждый из этих типов характеризуется своими уникальными свойствами, требующими детального изучения.
Графеновое будущее
На сегодняшний день научное сообщество тщательно изучило множество теоретических идей и концепций, возникших на раннем этапе развития исследований. Экспериментальная проверка прогнозов, сделанных в период, предшествующий открытиям Графена (80–90-е годы прошлого века), и в первые годы активного изучения графена, была проведена за последнее десятилетие благодаря значительному прогрессу в экспериментальной графенологии. В настоящее время графен активно исследуется с целью применения в практических областях.
В фундаментальной физике графеновых систем, не ориентированной на немедленные практические применения, также появляются новые вопросы. Так, остается важным понять, как межэлектронное отталкивание влияет на характеристики графеновых структур. В связи с этим рассматриваются относительно новые для физики твердого тела идеи, в частности, концепции маргинальной жидкости Ферми и топологически упорядоченных состояний.
Авторы статьи исследуют двухслойный графен уже около шести лет. За это время они сделали значительный вклад в понимание его электронной структуры. В частности, был проведен анализ возможности спонтанного нарушения симметрии в графене типа AA (которое теоретически предсказано как неустойчивое для электронной подсистемы в АА‑графене), указана вероятность возникновения антиферромагнетизма и пространственно-неоднородных состояний, а также исследовалась зависимость одноэлектронных энергетических уровней подкрученного графена от угла поворота и числа атомов в суперячейке (периодической структуре с большим количеством атомов, которая получается за счет небольшого поворота атомных плоскостей относительно друг друга, см. рис. 2).
Артем Сбойчаков, соавтор обзора и кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории № 1 ИТПЭ РАН, отметил: «Системы с муаром, и графен с особыми свойствами, в частности, характеризуются богатой физической основой, обусловленной их сложной структурой. Однако, на текущий момент, некоторые аспекты, такие как эффекты взаимодействия электронов, изучены недостаточно. Поэтому в ближайшем будущем стоит ожидать значительное количество новых открытий в данной области».
Александр Рахманов, соавтор обзора и профессор МФТИ, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории № 1 ИТПЭ РАН, подчеркнул: «Основываясь на собственном исследовательском опыте и результатах работы над обзором, можно с уверенностью сказать, что графен и материалы на его основе продолжат вдохновлять ученых — как теоретиков, так и экспериментаторов — на протяжении многих лет».