Ученые из США и Японии впервые увидели экситоны в двухслойном графене с помощью фототоковой спектроскопии. Статья опубликована в Science.

Двухслойный графен впервые был описан в 2004 году наряду с «обычным», однослойным графеном группой ученых под руководством А. Гейма. Двухслойный графен состоит из двух близко расположенных листов обычного графена, так что электроны могут туннелировать из одного слоя в другой. Это приводит к необычному закону дисперсии для носителей заряда (электронов и дырок). Ширину запрещенной зоны в двухслойном графене можно легко контролировать, что позволяет подробно исследовать двумерную физику за пределами обычных полупроводников.

Существование экситонов (квазичастиц, состоящих из электрона и дырки) в двухслойном графене ранее предсказывалось теоретически. Однако экспериментально наблюдать экситоны в нем пока не удавалось из-за сильных неоднородностей используемых подложек. Кроме того, эксперименты над ультрачистым графеном осложняются небольшим размером образцов. 

Long Ju et. al. / Science

В данной работе ученые сообщают об успешном наблюдении экситонов с помощью фототоковой спектроскопии (photocurrent spectroscopy) в высококачественных образцах двухслойного графена. Для этого они поместили частички графена, удерживаемые листами из гексагонального нитрида бора, на графитовую подложку и накрыли их сверху полупрозрачным слоем из сплава никеля и хрома.

Микрофотография установки и ее схема (вид сбоку). Пунктирными линиями отмечена область двухслойного графена. Long Ju et. al. / Science

Чтобы измерять ток, возникающий при действии на образец инфракрасного излучения, экспериментаторы подключили к нему золотые электроды. Оптический спектр поглощения графена ученые нашли, сопоставляя величину тока, возникающего при облучении графена, и задержку между световыми импульсами.

Таким образом, ученые увидели в спектре графена два острых пика. При приложении внешнего напряжения к образцу эти пики сдвигались в сторону больших энергий. В принципе, такую форму спектра могут вызвать не только экситонные переходы, но и другие процессы. Однако физики исключили их, исследовав смещение положения пиков при добавлении в графен дополнительных электронов и дырок и сравнивая экспериментальные данные с теоретическими предсказаниями. В конце концов, ученые пришли к выводу, что пику с меньшей энергией отвечает переход экситонов в возбужденное состояние 1s, а пику с большей — в состояние 2p. В частности, в пользу этой гипотезы говорит то, что отношение амплитуд пиков (около 0,05) совпадает с теоретически рассчитанной величиной.

Зависимость фототока от задержки между световыми импульсами. Long Ju et. al. / Science

Зависимость фототока от длины волны падающего света. Long Ju et. al. / Science

Зависимость энергии пиков P1 и P2 от величины приложенного к образцу напряжения (желтые линии). Long Ju et. al. / Science

Кроме того, физики определили некоторые свойства экситонов. Например, g-фактор частиц оказался равен примерно g = 19,8 ± 0,1. Это делает перспективным использование двухслойного графена в вэллитронике (valleytronics), например, при разработке инфракрасных детекторов или лазеров. Также ученые изучили диамагнитные свойства экситонов и нашли их примерный радиус, который в 1s-состоянии составил около шести нанометров.

Недавно мы писали, как химики отфильтровали виски с помощью мембраны из оксида графена. А подробнее про экситоны можно прочитать в нашем материале «Зоопарк квазичастиц».

Автор: Дмитрий Трунин