Ученые из США и Италии доказали, что при воздействии внешнего электрического поля, приложенного перпендикулярно образцу трехслойного графена, в нем может образовываться достаточно большая запрещенная зона.

Запрещенная зона в полупроводнике – это область энергии, которая отделяет валентную зону, заполненную электронами, от свободной зоны проводимости. В этом зазоре отсутствуют разрешенные состояния для электронов, она считается одной из основных характеристик полупроводника и определяет возможную область его применения. В обычном графене запрещенная зона равна нулю, что делает его полуметаллом.

Рис. 1. Схема созданных графеновых устройств. PEO — полиэтиленоксид.

На сегодняшний день не существует простых и надежных методик формирования ненулевых запрещенных зон, отсутствуют способы управления ее ширины, что тормозит распространение графена. Ученые уже пробовали экспериментировать с многослойными образцами графена, чтобы попытаться расширить запрещенную зону. Некоторого успеха удалось добиться в опытах с двухслойным графеном, но эксперименты с графеном из трех слоев результатов не давали.

В новых исследованиях физики решили изготовить на основе трехслойного графена, который расположили на подложке из SiO₂/Si, небольшие устройства с верхним затвором. При этом в способах укладки слоев графена были важные различия: в некоторых устройствах трехслойные структуры имели типичную для них зеркальную симметрию, а в других — нет.

Рис. 2. Кристаллическая структура трёхслойного
графена с «симметричной» (слева) и
«несимметричной» укладкой слоёв.

Как выяснили ученые, наблюдая за изменяющейся фотопроводимостью, в тех устройствах, в которых сохранялась симметрия, запрещённая зона действительно не обнаруживается, и её ширина при напряжении затвора в 0,9 В совершенно точно не превышает 30 мэВ. А трехслойная структура без зеркальной симметрии проявила совершенно другие свойства – когда напряжение поднимали до 1,2 В, ширина запрещенной зоны приближалась к ~120 мэВ.

Полные результаты исследования, свидетельствующие о том, что порядок укладки слоёв графена влияет на зонную структуру материала, будут опубликованы в одном из ближайших номеров журнала Nature Physics.