Французские физики разработали способ управления электронными свойствами из «скрученного» двухслойного графена, предложив независимо растягивать каждый из слоев в разориентированной структуре. Это позволяет, в частности, отойти от традиционной для графена линейной структуры электронных зон и получить области с плоскими запрещенными зонами, пишут ученые в статье в Physical Review Letters.

Один из распространенных методов управления электронными свойствами графена — создание двухслойных структур, в которых один слой связан с другим с помощью вандерваальсовых сил. Такая двухслойная система обладает важным преимуществом по сравнению с обычным однослойным графеном — в ней слои можно поворачивать друг относительно друга. Этот поворот приводит к образованию гексагональных муаровых структур — двумерных узоров, в которых из-за разориентированности между собой двух слоев у решетки появляется дополнительный период, в несколько раз превосходящий период атомарной графеновой ячейки.

Муаровый узор в двухслойном графене с нерастянутыми слоями. L. Huder et al./ Physical review Letters, 2018

В такой системе происходит чередование разного типа выравнивания двух слоев друг относительно друга — атом верхнего слоя графена может находиться либо над атомом нижнего слоя, либо над «ямкой» между двумя атомами. Разные типы выравнивания по-разному влияют на структуру энергетических зон материала и, таким образом, меняя угол поворота, можно управлять электронными свойствами материала. Французские физики под руководством Венсана Ренара (Vincent T. Renard) из Университета Гренобль-Альп исследовали еще один метод управления электронными свойствами двухслойного графена: ученые предложили не просто поворачивать один слой относительно другого, но при этом еще и слегка растягивать слои независимо друг от друга, в результате чего между периодами их кристаллических решеток появляется небольшие отличие.

В своей работе физики использовали методику, с помощью которой можно деформировать вдоль одного из главных направлений решетки каждый из слоев двухслойного графена, которые повернуты относительно друг друга на 1,25 градуса. Величина деформации в эксперименте не превышала нескольких десятых долей процента. Авторы работы отмечают, что растягивать слои независимо друг от друга в двухслойном графене возможно благодаря тому, что они связаны между собой не ковалентной связью, а за счет относительно слабого вандерваальсового взаимодействия. Как и в случае недеформированного двухслойного графена, в образованной структуре чередуются зоны правильного выравнивания двух слоев и зоны, в которых слои смещены друг относительно друга на полпериода, однако такие зоны образуют не гексагональную решетку, а более сложную.

Структура двухслойного графена, в которой верхней слой деформирован, а нижней — нет. L. Huder et al./ Physical review Letters, 2018

С помощью сканирующей туннельной микроскопии и рамановской спектроскопии физики изучили, как при таком растяжении изменяется пространственная и электронная структура двухслойного графена и подтвердили полученные данные с помощью теоретических расчетов. Оказалось, что с помощью предложенной методики можно привести к превращению структуры дираковских конусов (с линейной связью между энергией и импульсом электрона и нулевой запрещенной зоной), характерной для однослойного графена, в значительно более сложную структуру. Исследователи отмечают, что в полученной структуре встречаются как области, характерные для недеформированной муаровой двухслойной структуры, так и новые элементы. В частности, в ней присутствуют области с плоской запрещенной зоной шириной около 100 миллиэлектронвольт. По словам физиков, для описания исследованных ими структур требуется более подробное теоретическое изучение, однако полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования предложенной методики для управления электронными свойствами графеновых материалов в наноэлектронных устройствах.

Возможность изменения взаимной ориентации слоев в графеновых структурах — важный инструмент управления электронными свойствами не только двухслойного, но и трехслойного графена. Например, недавно ученые предложили метод получения трехслойного графена с нужным порядком слоев, что позволяет получать в графене электронные зоны с нужной формой и известной шириной запрещенной зоны.

Автор: Александр Дубов