Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) предложили новый способ построения планарных гетероструктур на основе графена. На вооружении нанотехнологов теперь появятся квантовые ямы и квантовые точки нового типа.

Графен представляет собой моноатомный слой углерода, атомы которого образуют правильную гексагональную (шестиугольную) решетку, и, по сути, является одним слоем, «оторванным» от графита. Собственно, именно так (методом микромеханического отщепления от высокоориентированного пиролитического графита) он и был впервые получен в 2004 году группой Константина Новоселова и Андрея Гейма в Англии.

В настоящее время графеном занимается большое число ученых, как экспериментаторов, так и теоретиков. Среди них – старший научный сотрудник ФИАН Андрей Силин и его аспирант Павел Ратников. Они предложили («Физика твердого тела», 2010, том 52, вып.8, Приграничные состояния в графеновых гетеропереходах, П.В. Ратников, А.П. Силин) новый способ построения планарных (то есть плоских или поверхностных) гетероструктур на основе графена, которые могут стать основой светоизлучающих приборов, например, диодов или лазеров.

«Графен интересен своей зонной структурой, – рассказывает Павел Ратников, – у него зона проводимости и валентная зона соприкасаются в 6-ти угловых точках, и это определяет многие его электронные свойства – он является бесщелевым полупроводником. Но помимо бесщелевых существуют также щелевые модификации графена – это когда вместо касания валентной зоны и зоны проводимости возникает конечная энергетическая щель, то есть графен становится узкощелевым полупроводником. При низких температурах эту энергетическую щель можно использовать как энергетический барьер. Мы предлагаем составлять из графена планарные гетероструктуры наподобие квантовой ямы – для этого нужно взять в качестве того участка, где находятся носители, бесщелевой графен, а по бокам – щелевые модификации».

Получить такую гетероструктуру можно двумя путями. Первый связан со взаимодействием графена с неоднородной подложкой.

«Например, диоксид кремния никак не воздействует на энергетическую структуру графена, с другой стороны, если взять гексагональный нитрид бора, то за счет того, что верхние атомы гексагонального нитрида бора – часть из них азот, а часть бор – по-разному воздействуют на 2 подрешетки графена, возникает нарушение симметрии двух подрешеток, которое приводит к появлению конечной энергетической щели. Таким образом, если нанести графен на неоднородную подложку, состоящую из двух слоев нитрида бора, между которыми находится полоска диоксида кремния, то в графене образуется планарная квантовая яма», – говорит Павел Ратников.

Второй вариант получения в графене необходимой энергетической щели связан с напылением на графен определенных веществ.

«Молекулы напыляемого вещества просто садятся на графен, – поясняет Ратников, – так как у атомов углерода перпендикулярно торчат свободные p-z орбитали, и на них может сесть все, что угодно. Если это происходит не в вакууме, то это могут быть и молекулы водорода, кислорода, аммиака и т.д. Так, в начале 2009 года, была синтезирована новая щелевая модификация графена – графан, она получается гидрогенизацией, то есть соединением атомов углерода с атомами водорода».

Рис. 1. Два варианта гетероструктуры: a – слой графена на подложке, составленной из h-BN и SiO2, b – неоднородно гидрогенизированный графен на подложке из SiO2 (светлые кружки – атомы водорода).

Заниматься планарными гетероструктурами руководитель работы Андрей Силин начал еще задолго до получения графена – сначала это были узкощелевые полупроводники, графен – скорее частный (энергетическая щель равна нулю), но очень интересный случай (электроны в графене обладают рекордной подвижностью).

В своих работах, посвященных графену, Андрей Силин и Павел Ратников рассчитали такие параметры предложенных ими гетероструктур, как спектр размерного квантования, эффективные массы электронов и дырок и энергию связи их связанных состояний – экситонов.

«Расчеты, которые мы провели, – комментирует Андрей Силин, – позволяют выбрать параметры планарных гетероструктур на основе графена, необходимые для получения оптического излучения в определенной области спектра. Пока эта теория несколько опережает эксперимент, экспериментов таких нет, поэтому какие сделают щелевые структуры, такое излучение и будет. Но вряд ли там можно продвинуться существенно дальше красного. Хотя все возможно, может быть, экспериментаторы сделают какие-то новые модификации графена».

Также предложенные структуры могут быть использованы в качестве «ключа», регулирующего движение носителей заряда. Для этого достаточно поменять местами щелевые и бесщелевые модификации графена. Тогда носители смогут туннелировать через запрещенную зону, которая находится в середине гетероструктуры, и, прикладывая напряжение к подложке, можно будет управлять проводимостью структуры – либо подавлять движение носителей через барьер, либо, наоборот, его усиливать.