Исследователи из США и Великобритании объединили свои усилия в изучении того, почему свойства многослойного графена разнятся от образца к образцу. По мнению ученых, ответ следует искать во взаимной ориентации одноатомных плоскостей друг относительно друга. Данное открытие не только объясняет существовавшие ранее загадки, но и открывает пути для управления электронными свойствами удивительного материала для практических применений.

Графен представляет собой уникальный материал, состоящий из атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку. За счет отсутствия в его кристаллах третьего измерения, графен обладает целым рядом уникальных физических свойств, не наблюдавшихся у «многослойных» форм углерода. К примеру, свободные носители тока в графене (электроны) движутся со скоростями близкими к скорости света и практически не рассеиваются атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки (т.е. ведут себя как релятивистские дираковские фермионы, не обладающие массой покоя). Это и другие свойства графена делают этот материал отличной основой для создания ультрабыстрых электронных устройств будущего.

Теоретически, несколько слоев графена, объединенные в один кристалл (так называемый «многослойный» графен), не должны содержать диракоских фермионов, т.к. в данном случае кристаллическая решетка теряет свой двумерный характер. Однако подобные частицы были обнаружены в многослойном графене, выращенном методикой осаждения углеродных атомов на поверхности подложки. Это открытие весьма озадачило научный мир.

Рис. 1. Изображение многослойного графена, отдельные плоскости которого повернуты друг относительно друга на 28 градусов. Левое изображение получено при помощи методик сканирующей туннельной микроскопии; правое – смоделировано.

Теперь совместная группа ученых из Rutger University, Massachusetts Institute of Technology (США) University of Manchester (Великобритания) показала, что ключевую роль в обнаружении дираковских фермионов играет даже не количество одноатомных кристаллических слоев, а взаимная ориентация отдельных плоскостей друг относительно друга.

Подробные результаты экспериментов приведены в журнале Physical Review Letters.

В своих экспериментах команда создавала многослойный графен путем осаждения атомов углерода на никелевой поверхности. После чего графен отделялся от поверхности химическими методами и изучался при помощи просвечивающего электронного микроскопа. В каждом случае в первую очередь оценивался один и тот же параметр – взаимная ориентация двумерных кристаллических плоскостей друг относительно друга. В последствие, наличие или отсутствие фермионов определялось спектроскопией уровней Ландау (в присутствии внешнего магнитного поля, приложенного к образцу).

Команда обнаружила, что когда плоскости были повернуты друг относительно друга не на 60 градусов (как бывает при наиболее естественной схеме), а всего на 22 градуса от этого «естественного положения», свободные электроны вели себя как фермионы Дирака в однослойном графене. При меньших углах вращения плоскостей друг относительно друга (приблизительно при 4 градусах), скорость свободных носителей тока падает до 80% (от скорости в однослойном графене). Третий созданный учеными образец имел угол взаимной ориентации плоскостей порядка 1,2 градусов; при этом не наблюдалось никаких фермионов.

По мнению ученых, явление наблюдается, потому что вращение плоскостей нарушает кристаллическую периодичность, что снижает сцепленность атомных плоскостей и приводит к тому, что каждая из них «работает» как обособленная.

В ближайшем будущем ученые планируют повторить измерения при произвольном угле ориентации кристаллических плоскостей. Впоследствии эти знания помогут лучше проектировать электронные устройства на базе многослойного графена.