Применяя современные инновационные методы и оборудование группа исследователей из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) и Национального Института Стандартов и Технологии (NIST), США провела прямые измерения энергетического спектра носителей заряда в графене – столь многообещающей двумерной форме углерода, свойства которой интригуют исследователей вот уже 5 лет.

Описание результатов экспериментов и оборудования, использованного для исследования, ученые опубликовали в журнале Science (Observing the Quantization of Zero Mass Carriers in Graphene)

Модуль, специально разработанный для данного исследования. В модуле заключены и образец и измерительная игла (фото: Kevin Kubista, Georgia Institute of Technology)

Ценность графена определяется высочайшими значениями подвижности носителей заряда (при комнатной температуре он опережает кремний по этому показателю более чем в сто раз). Объяснение таким характеристикам физики видят в том, что электроны и дырки в графене обладают нулевой эффективной массой (другими словами, их скорость не связана с энергией) и «ведут себя» подобно фотонам.

С этим же свойством принято ассоциировать другую «странность» нового материала. Известно, что при внесении проводника в магнитное поле его электроны начинают совершать круговые движения (прецессировать). Движение по окружности — периодический процесс, который можно рассматривать как квантовый осциллятор, а энергия квантового осциллятора может принимать лишь дискретный ряд значений. Эти значения — для обычного проводника — эквидистантны; в графене же расстояния между энергетическими уровнями оказываются различными.

Рисунок демонстрирует «атомные контуры» графена – одиночный слой атомов углерода, организованных в виде матрицы, напоминающей пчелиные соты. Приложенное магнитное поле принуждает электроны (шарик) перемещаться по круговым орбитам. Эти орбиты и есть тот самый «ключ» к экзотическим свойствам материала

Авторы рассматриваемой работы провели прямые наблюдения электронных состояний в материале, помещенном в сильное магнитное поле. Эксперимент выполнялся с помощью специального низкотемпературного сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа; обработав собранные данные, ученые получили полный энергетический спектр электронов графена. Исследователи также провели анализ «состояния с нулевой энергией» — еще одного любопытного свойства графена, выражающегося в резком падении проводимости при определенных условиях

Любопытно, что измерения слоев графена выращенных, а затем нагретых на подложке из карбида кремния, показали, что все слои ведут себя совершенно независимо от других, как одиночные, изолированные двумерные листы. На основании полученных результатов исследователи сделали предположение, что слои графена не связаны с другими слоями в стопке, поскольку имеют различную вращательную ориентацию. Эти находки могут оказаться полезными при разработке методов изготовления больших однородных стопок графена для новых электронных устройств.

Евгений Биргер