Монослой углерода (графен) интенсивно исследуется как перспективный материал наноэлектроники. Самые первые эксперименты с графеном были выполнены с помощью осаждения чешуек графита на подложку SiO₂

Измерения проводимости достаточно хорошо согласуются с зонной структурой графена, которая была теоретически предсказана много лет назад (рис. 1, вверху). Зона проводимости и валентная зона выглядят как два конуса, соприкасающиеся в т.н. дираковской точке. Запрещенная зона отсутствует. Для практических применений именно этот факт оказался прискорбным: транзистор на основе графена не имеет закрытого состояния, что необходимо для схем логики. При изменении потенциала на затворе проводимость графена просто переходит от электронной к дырочной и наоборот.

Рис. 1. Графен, лежащий на подложке SiO₂ имеет коническую зонную структуру (вверху), графен, подвешенный на электродах может находиться в диэлектрическом состоянии (внизу)

Однако, недавние расчеты, проведенные в Ohio State University (США) [1], показывают, что в подвешенном состоянии (рис. 1, внизу), графен должен иметь запрещенную зону. Авторы учли сильное кулоновское взаимодействие между электронами, которое может приводить к переходу в изолирующее состояние. Отношение энергии кулоновского взаимодействия к кинетической энергии электронов в графене имеет универсальное значение, равное постоянной тонкой структуры λ=h/mc, с той лишь разницей, что здесь требуется подставить скорость квазичастиц в графене, которая в 300 раз меньше скорости света. Поэтому постоянная тонкой структуры в графене составляет величину не 1/137, а в 300 раз больше, т.е. больше 1. Если графен лежит на подложке SiO₂, то из-за экранирования кулоновское взаимодействие ослабляется. Пока, однако, изолирующее состояние подвешенного графена не наблюдали в эксперименте.

Как известно, существует и другой способ создания запрещенной зоны, а именно, использовать двухслойный графен. Интересным обстоятельством является управление шириной запрещенной зоны с помощью поперечного электрического поля, создаваемого затвором.

В настоящее время есть возможность регулирования количества слоев графена, когда он выращивается эпитаксиально. Это послужило стимулом для расчетов зонной структуры трехслойного графена, выполненных в Tokyo Institute of Technology (Япония) [2]. Как показали расчеты, в этом случае также имеется запрещенная зона, но ее поведение в зависимости от напряжения на затворе совершенно противоположно случаю двойного графена: с увеличением напряжения ширина запрещенной зоны уменьшается. Будем ждать экспериментов.

В. Вьюрков

• 1. J.E.Drut, T.A.Lahde, Phys. Rev. B 79, 165425 (2009)
• 2. M.Koshino, E.McCann, Phys. Rev. B 79, 125443 (2009)