Непосредственный взгляд на графен

Непосредственное изображение, полученное исследователями из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли (LBL), подтверждают важность электрон-электронных взаимодействий в графене.

Ни один материал не вызывает столь много эмоций в мире электроники, как графен. Сверхтонкий, сверхкрепкий, сверхгибкий и сверхбыстрый проводник электронов, графен рекламируется как потенциальный чудо-материал для электроники, начиная от сверхбыстрых транзисторов. Однако для полной реализации большого потенциала графена ученые должны сначала больше узнать, что делает графен этим чудо-материалом. Самый последний шаг в этом направлении был предпринят исследователями из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и Калифорнийского университета (UC) в Беркли.

Майкл Кромми (Michael Crommie), физик, работающий в департаменте материаловедения LBL и в департаменте физики в UC, возглавляет исследование, в котором впервые с помощью наблюдений на микроскопической шкале была записана реакция электронов и дырок на присутствие заряженной примеси – единичного кулоновского потенциала, – размещенной на вентильном графеновом устройстве. Результаты поддерживают теорию, что взаимодействия между электронами играют важную роль в наделении графена экстраординарными свойствами. 

Д-р Майкл Кромми

«Мы показали, что электроны в графене ведут себя совершенно отличным образом вблизи заряженной примеси, от электронов в других материалах, - сказал д-р Кромми. – Некоторые исследователи полагают, что электрон-электронные взаимодействия не являются важными для присущих графену свойств, в то время как другие придерживаются  противоположной точки зрения. Полученная нами впервые картина, как ультрарелятивистские безмассовые фермионы Дирака (квазичастицы,- Л.Б.) перегруппировываются в ответ на кулоновский потенциал, подтверждает важность электрон-электронных взаимодействий. Их поведение существенно отличается от того, как нерелятивистские электроны ведут себя в традиционных атомных и примесных системах».

Работая со специально оборудованным сканирующим туннельным микроскопом в сверхвысоком вакууме, исследователи прозондировали вентильные устройства, содержащие графеновый слой, осажденный на поверхность пластинок нитрида бора, которые размещались на подложке из двуокиси кремния.

«Использование нитрида бора значительно снижает зарядовую неоднородность графена, позволяя тем самым прощупать внутренний электронный ответ графена на присутствие индивидуальных заряженных примесей, - сказал д-р Кромми. – В этом исследовании заряженной примесью служили кобальтовые тримеры, получаемые автоматически на графене с помощью манипуляции кобальтовыми мономерами посредством зонда СТМ». 

            
Ответ ультрарелятивистских электронов в графене на кулоновский потенциал, созданные кобальтовыми тримерами, существенно отличался от ответа нерелятивистских электронов в традиционных системах

СТМ, использованный для создания кобальтовых тримеров, также применялся для отображения ответа дираковских квазичастиц, как «электронов», так и «дырок» на кулоновский потенциал, создаваемый тримерами. Сравнение наблюдаемой электронно-дырочной асимметрии с теоретическими предсказаниями позволило исследовательской команде не только проверить теорию, но и получить диэлектрическую постоянную графена.

«Теоретики предсказали, что, по сравнению с другими материалами, электроны в графене вовлекаются в зону положительно заряженной примеси либо слишком слабо (субкритический режим), либо слишком сильно (сверхкритический режим), - сказал д-р Кромми. – В нашем изучении мы проверили предсказания для субкритического режима и обнаружили, что значение для диэлектрика достаточно мало, чтобы указывать на то, что электрон-электронные взаимодействия вносят значительный вклад в свойства графена. Эта информация является фундаментальной для нашего понимания, как электроны двигаются через графен». 

Увеличенное изображение показывает один из кобальтовых тримеров, размещенных на графене для создания кулоновского потенциала, на который электроны и дырки могут реагировать

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365