Een internationaal team van wetenschappers heeft de beschikbare bibliografische gegevens over dubbellaags grafeen verzameld, een potentieel materiaal met mogelijke toepassingen in elektronica en optica. De review paper is gepubliceerd in Natuurkundige rapporten .

De grafeenkoorts

De ontwikkeling van micro-elektronica hangt nauw samen met een zoektocht naar nieuwe technologie en materialen voor gebruik in transistors. Een veelbelovend materiaal, grafeen, trok de aandacht van zowel wetenschappers als ingenieurs dankzij zijn ongewone mechanische, elektrisch, en optische eigenschappen. De grafeenrush begon in 2004 met de publicatie van een paper van Konstantin Novoselov en Andre Geim in Wetenschap . Vanaf vandaag, meer dan 10, Er zijn 000 papers over grafeen gepubliceerd en er zijn meer dan duizend patenten verleend met betrekking tot het materiaal.

dubbellaags grafeen, of bigrafeen, is een van de opwindende vormen van grafeen, die momenteel aan kracht wint:alleen al in 2014 en 2015 meer dan 1, 000 artikelen over bigrafeen werden gepubliceerd.

Dr. Alexander Rozhkov, een co-auteur van de huidige recensie, vat de prestatie van het team samen:"Om de recensie over dubbellaags grafeen te schrijven, we hebben twee jaar besteed aan het bestuderen en organiseren van alle belangrijkste experimentele en theoretische bevindingen in het veld. Als resultaat, we hebben een recensie gepubliceerd waarin we ongeveer 450 wetenschappelijke artikelen over dubbellaags grafeen en aanverwante onderwerpen citeren. Direct, het is de meest uitgebreide recensie over dit probleem, zowel in termen van het grote aantal referenties als de reikwijdte van het onderwerp."

Waarom twee beter is dan één

Een van de aantrekkelijke eigenschappen van grafeen is de hoge mobiliteit van ladingdragers. In feite, het is tientallen keren hoger dan de analoge hoeveelheid in silicium, het go-to-materiaal van de moderne micro-elektronica. Elektronen en gaten (elektronenvacatures) in grafeen kunnen gemakkelijk en snel bewegen onder invloed van een extern elektrisch veld. Echter, een transistor op basis van enkellaags grafeen heeft als belangrijk nadeel dat deze niet effectief kan worden uitgeschakeld. Dit wordt verklaard door het feit dat grafeen geen bandgap heeft, d.w.z., een reeks energiewaarden die zijn elektronen verboden. Bijgevolg, de stroom door een dergelijke transistor kan niet volledig worden uitgeschakeld.

Het belangrijkste voordeel van dubbellaags grafeen is de mogelijkheid om lokaal een bandgap te induceren en de grootte ervan af te stemmen door een sterk elektrisch veld loodrecht op de koolstofplaten aan te leggen. Dit betekent dat het kan worden gebruikt om transistors van de volgende generatie te ontwerpen die sneller zouden werken en minder energie zouden verbruiken. wat vooral belangrijk is voor draagbare batterijgevoede apparaten. In aanvulling, door de mogelijkheid van bandgap tuning is er nog meer potentieel voor toepassingen in opto-elektronica en sensoren.

Hoe dan ook, een echte micro-elektronica-revolutie moet nog komen. In vergelijking met gewoon grafeen, een hoogwaardig dubbellaags monster is moeilijker te vervaardigen, omdat men de materiaalkwaliteit en de precisie van de laaguitlijning moet controleren om een ​​hoge ladingsmobiliteit en andere kenmerken te behouden.

Er zijn drie hoofdtypen bigrafeen. In AA -gestapeld dubbellaags grafeen, de lagen zijn zo uitgelijnd dat elk atoom in het bovenste vel precies bovenop een atoom in het onderste vel zit. In AB -gestapeld dubbellaags grafeen, de lagen worden op een andere manier over elkaar gelegd, namelijk, slechts de helft van de atomen in de bovenste laag ligt boven een atoom, terwijl de andere helft over het midden van een zeshoek in het kristalrooster van de onderste plaat ligt (zie Fig. 1). In een andere variant, genaamd verdraaid bigrafeen, de ene laag wordt over een vooraf bepaalde hoek gedraaid ten opzichte van de andere laag. Elk van de drie soorten heeft zijn eigen specifieke kenmerken, die bestudeerd moeten worden.

Grafeen toekomst

Tegen deze tijd, veel van de aanvankelijk voorgestelde theoretische schema's en concepten zijn geabsorbeerd door de wetenschappelijke gemeenschap. Voorspellingen die in het pre-grafeentijdperk (de jaren 80 en 90) en kort na het begin van de grafeenstorm werden gedaan, zijn getest dankzij de snelle vooruitgang die de experimentele grafeenwetenschap in het afgelopen decennium heeft geboekt. Op dit moment, wetenschappers zetten zich in om toepassingen voor het materiaal te vinden. Nog altijd, Ook fundamentele onderzoekers (die niet op zoek zijn naar directe toepassingen) zijn bezig met het oplossen van nieuwe problemen op het gebied van grafeensystemen. Voor een ding, de mate waarin de Coulomb-afstoting tussen elektronen de eigenschappen van grafeensystemen kan beïnvloeden, blijft onbekend. Om deze vraag aan te pakken, concepten die relatief nieuw zijn voor de vastestoffysica worden besproken, bijv. de marginale Fermi vloeibare en topologisch geordende toestanden.

De auteurs van het review paper bestuderen al zes jaar dubbellaags grafeen. Ze hebben bijgedragen aan het begrip van de elektronische structuur van dit materiaal. Vooral, ze onderzochten de mogelijkheid van het doorbreken van spontane symmetrie AA -gestapeld dubbellaags grafeen. De onderzoekers voorspelden ook theoretisch de instabiliteit van het elektronensubsysteem in AA -bigrafeen gestapeld en de mogelijkheid van antiferromagnetische ordening en ruimtelijk inhomogene toestanden in een dubbellaagssysteem geïdentificeerd. Afgezien daarvan, de auteurs onderzochten toestanden met één elektron in verdraaid dubbellaags grafeen onder verschillende draaihoeken en voor verschillende celgroottes van superroosters, waarbij de notie van een superroostercel (ook bekend als moirépatrooncel; zie Fig. 2) verwijst naar een relatief grote periodiek voorkomende structuur in het atomaire patroon, die ontstaat wanneer twee over elkaar liggende grafeenvellen ten opzichte van elkaar worden gedraaid.

Dr. Artem Sboychakov, een co-auteur van de recensie en een senior onderzoekswetenschapper aan het Laboratorium nr. 1 van het Instituut voor Theoretische en Toegepaste Elektrodynamica gaven commentaar op de publicatie van de recensie:"Het is een gemeenschappelijk kenmerk van alle systemen met een moiré-patroon, inclusief gedraaid dubbellaags grafeen dat ze zijn begiftigd met een vrij complexe fysica - vooral vanwege de ingewikkeldheid van hun structuur. Bepaalde aspecten van hun gedrag, zoals de effecten van de interacties tussen elektronen, zijn nog niet volledig begrepen. We zouden een aantal opwindende ontdekkingen op dit gebied kunnen verwachten. "

Dr. Alexander Rakhmanov van MIPT, hoofd van laboratorium nr. 1 van het Instituut voor Theoretische en Toegepaste Elektrodynamica, voegde toe:"Ons team heeft aanzienlijke ervaring in de theoretische studies van elektron-elektron-interacties in op grafeen gebaseerde systemen. naast zuiver analytische benaderingen, de rol van numerieke technieken kan niet worden overschat. Ze helpen ons de antwoorden te vinden op veel van de belangrijke theoretische vragen. De auteurs van deze recensie doen voornamelijk onderzoek aan het RIKEN Institute of Physical and Chemical Research in Japan en aan het Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, die nauw samenwerkt met de afdeling Elektrodynamica van Complexe Systemen en Nanofotonica van het MIPT. Tussen deze twee belangrijke instituten, we hebben genoeg rekenkracht om uitgebreide computerstudies uit te voeren. Ik denk dat ik de resultaten van mijn eigen onderzoek en de ervaring die we hebben opgedaan tijdens het schrijven van de recensie kan samenvatten door te zeggen dat we konden verwachten dat grafeen en systemen op basis van dit materiaal een bron van wetenschappelijke inspiratie zouden blijven voor veel onderzoekers - zowel theoretici als experimentatoren - voor de aankomende jaren."