Объединённая группа физиков из Чехии, Франции и Канады сделала широкий шаг к получению искусственного графена.

Наиболее интересной особенностью графена, двумерной модификации углерода, считается его зонная структура, о которой NNN уже не раз рассказывал. Низкоэнергетическая динамика электронов в нём описывается эффективным уравнением, имеющим вид уравнения Дирака для частиц с нулевой массой, движущихся со скоростью ~ 10⁶ м/с. Можно сказать, что

носители заряда в графене ведут себя как безмассовые фермионы и характеризуются линейной зависимостью энергии от импульса, изображаемой в виде так называемых конусов Дирака, касающихся друг друга.

«Идея создания искусственного графена была высказана довольно давно, — вспоминает один из авторов исследования Лукаш Надворник (Lukas Nádvorník). — Суть её состоит в том, чтобы создать на основе высококачественных двумерных полупроводников, ставших вполне доступными, кристаллы с синтетической гексагональной сотовой решёткой, характерной для графена. Работать с искусственным материалом проще, и экспериментаторам будет удобнее проверять, насколько хорошо графен подходит для тех или иных электронных устройств».

Рис. 1. Зонная структура обычного полупроводника (слева) и графена (иллюстрация Berkeley Lab).

«Вообще говоря, двумерные сверхрешётки с периодом в ~100 нм, к которым относится и искусственный графен, изготавливались ещё в девяностых годах, — продолжает исследователь. — Тогда учёных, однако, не интересовали дираковские фермионы — то, что отличает графен от других материалов. В своей работе мы обозначили требования к полупроводниковой структуре, при выполнении которых можно рассчитывать на наблюдение дираковских фермионов. Четыре сформулированных нами критерия абсолютно прозрачны и легко переводятся в экспериментальную плоскость».

Для проведения опытов, которые должны были подтвердить, что найденные критерии действуют, физики подготовили несколько полупроводниковых образцов. Структура одного из них, созданного с применением методик сухого травления и электронно-лучевой литографии, показана на рисунке ниже. Глубина отверстий в его верхней части менялась, а их диаметр и расстояние между центрами — постоянная решётки — были зафиксированы на отметках в 60 и 200 нм (у природного графена параметр решётки, напомним, примерно в тысячу раз уступает указанному значению). Двумерный электронный газ (2DEG) содержался в 20-нанометровой квантовой яме между барьерами из Al_0,33Ga_0,67As.

Рис. 2. Строение полупроводникового образца (иллюстрация из New Journal of Physics).

«Опыты показали, что создание полнофункционального искусственного графена требует уменьшения постоянной решётки до нескольких десятков нанометров, — завершает рассказ г-н Надворник. — Мы попробуем добиться этого с помощью электронно-лучевой литографии более высокого разрешения или сфокусированного ионного пучка. Надеюсь, первые сообщения о наблюдении безмассовых дираковских фермионов в полупроводниковых структурах такого типа появятся совсем скоро».

Отчёт, подготовленный г-ном Надворником и его коллегами, опубликован в издании New Journal of Physics.