Группа ученых из Университета штата Аризона США измерила фундаментальную характеристику – величину квантовой емкости (Quantum_capacitance) однослойного и двухслойного графена.

Графен, как известно, это слой атомов углерода, соединённых посредством связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам многих специалистов, графен обладает прекрасными механическими и тепловыми характеристиками. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, в гибких дисплеях, биосенсорах, сверхконденсаторах (ионисторах) и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Ученые из Института Биодизайна Университета штата Аризона (Biodesign Institute of Arizona State University) во главе с проф. Н. Ж. Тао (N.J. Tao) провели измерения одной из фундаментальных характеристик графена – квантовой емкости. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Nanotechnology (Measurement of the quantum capacitance of graphene).

Емкость – это способность материала накапливать энергию. В классической физике величина электрической емкости ограничивается силами отталкивания, действующими между зарядами одного знака. Чем больше заряд, тем больше энергии необходимо затратить на преодоление сил отталкивания. Существует также и другой тип емкости – квантовая, которая доминирует в общей емкости двумерных материалов типа графена.

Понятие квантовой емкости, рассматриваемое в этом случае, связано с принципом Паули, согласно которому два идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Заполнение начинается с состояния с наименьшей энергией; последующие частицы постепенно поднимаются по «лестнице энергий». «Представьте себе многоэтажное здание: когда на первом этаже место заканчивается, людям приходится подниматься на второй», – как объясняет это проф. Тао.

Измерение квантовой емкости ученые проводили с помощью трех электродов при разных значениях напряжения. Полученные величины (см. рисунки) чрезвычайно малы, а вид экспериментальной кривой несколько расходится с теоретическими расчетами. По словам проф. Тао, расхождения объясняются наличием заряженных примесей в образцах графена; специалистам уже известно, что такие примеси изменяют подвижность электронов в материале. Для устранения паразитного влияния и дальнейшего уменьшения емкости можно, отмечает ученый, искусственно вводить ионы противоположного знака.

Зависимость значения квантовой емкости однослойного графена от величины приложенного напряжения. Верхний график – теоретические предсказания в зависимости от чистоты графена (кривые сверху- вниз демонстрируют увеличение загрязнения). Нижний график – сравнение эксперимента с расчетом. Красная линия представляет теоретический вид зависимости, синим показаны результаты эксперимента. (Изображение авторов работы.)

Высокая чувствительность и низкая емкость монослоя атомов углерода повышают его привлекательность в глазах производителей биосенсоров. При этом, с помощью примесей емкость материала, как было отмечено, можно увеличить, и такой графен, по всей видимости, может быть успешно использован для создания суперконденсаторов (ионисторов). С другой стороны, как считает проф Тао, любая биологическая субстанция, взаимодействующая с поверхностным слоем графена толщиной в один электрон может быть зарегистрирована, поскольку вызывает громадные изменения свойств этих электронов. Одно из таких применений уже рассматривается в биомедицине – реакция графена на антитела при исследовании их взаимодействия со специфическими антигенами.

Евгений Биргер

http://www.biodesign.asu.edu/…applications