Группа исследователей из США и Китая определила величину квантовой емкости однослойного и двухслойного графена.

Зависимость значения квантовой емкости однослойного
графена от величины приложенного напряжения.
Красная линия представляет теоретический вид зависимости,
синим показаны результаты эксперимента.

Значение «классической» емкости ограничивается, силами отталкивания, действующими между зарядами одного знака. Понятие квантовой емкости, рассматриваемое в случае «двумерных» материалов вроде графена, 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», — объясняет один из авторов работы Нунцзянь Тао (Nongjian Tao) из Университета штата Аризона.

Измерение квантовой емкости ученые проводили с помощью трех электродов при разных значениях напряжения. Полученные величины (см. рис.) чрезвычайно малы, а вид кривой несколько не соответствует теоретическим расчетам. По словам г-на 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.

Высокая чувствительность и низкая емкость монослоя атомов углерода повышают его привлекательность в глазах производителей биосенсоров: взаимодействие любого вещества с поверхностью графена может быть зарегистрировано по изменению характеристик электронов. При этом с помощью примесей емкость материала, как было отмечено, можно увеличить; такой графен подойдет для создания суперконденсаторов (ионисторов).

Полная версия отчета исследователей будет опубликована в журнале Nature Nanotechnology.