Графен

Відео: Найлегший матеріал у світі. Графен

Графен - це окремий атомний шар зі структурою графіту Графен - одна з аллотропних форм вуглецю, моноатомной шар атомів вуглецю з гексагональної структурою. Графен був відкритий в 2004 Андрієм гейм і Костянтином Новосьолов з Манчестерського УНІВЕРСИТЕТУ. За це відкриття Гейм і Новосьолов були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 2010.
Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар в структурі графіту - атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з межатомного відстанню 142 нм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більш того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.
Гейм і Новосьолов отримали графен, здираючи графіт з підкладки шар за шаром. Їм вперше в світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.
Тоді ж Гейм з співробітниками запропонували так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен відкриває перспективи створення транзисторів і інших напівпровідникових приладів з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Зменшення довжини каналу транзистора призводить до зміни його властивостей. У наносвіті посилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються каналом балістична, як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень і, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.
Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд перспективних матеріалів для наноелектроніки.
Особливістю графена є його зонна структура з законом дисперсії, за формою аналогічний закон дисперсії релятивістських квантових частинок. Елементарні збудження в графені описуються рівняннями аналогічними рівняння Дірака.
Оскільки з моменту отримання графена пройшло небагато часу, його властивості поки вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів уже є.
електронні властивості
За своїх електронних властивостях графена відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник і нульовий шириною забороненої зони. Зона провідності і валентна зона графена змикаються, але не в центрі зони Брілюена, а в особливих точках на її краях. Цих точок шість, вони попарно еквівалентні, їх називають точками Дірака. Як наслідок, зони непараболічні, ефективна маса носіїв заряду дорівнює нулю. Наближення квантове рівняння руху, що описує електронні збудження в графені, має форму, схожу на релятівітське рівняння Дірака. Закон дисперсії поблизу точок Дірака задається Рівного

,

де E - енергія збудження, v F - швидкість Фермі, k x і k y - компоненти хвильового вектора.
Така зонна структура цікава для фізиків, оскільки відкриває перспективу моделювання релятивістських ефектів при швидкостях, набагато менших швидкості світла. Роль швидкості світла грає в графені швидкість Фермі v F, яка в 300 разів менше.
транспорт
Теоретично графен має нульову щільність станів в точках Дірака, що відповідають рівню Фермі при нульовій температурі, тому не повинен проводити електричний струм. Однак, практично, він провідність, порівнянну за величиною зі значенням 4 e 2 / h, де e - елементарний електричний заряд, h - постійна Планка. Причина провідності досі остаточно не з`ясована. Можливо, носії заряду потрапляють на графен з підкладки, або ж причиною появи носіїв заряду є коругована поверх матеріалу, при якому носії заряду перерозподіляються, а, можливо, причиною є домішки.
Для підвищення провідності в графен додають контрольовані домішки.


Оптичні властивості
Незважаючи на те, що графен моноатомной шар, він не зовсім прозорий, що і дає можливість бачити його. Здатність графена поглинати світло в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі і дорівнює ?? ? 2,3%, де? - постійна тонкої структури, фундаментальна константа, що має важливе значення в квантової електродинаміки. Незвичайні оптичні властивості графена пояснюються його зонної структурою - ширина забороненої зони дорівнює нулю і зона провідності і валентна зона не параболічні, як для електронів в більшості твердотільних матеріалів, а конічні.
теорія
У загальному випадку дійсна частина динамічної провідності визначається формулою:



де матричний елемент швидкості переходу з поглинанням фотона, щільність станів в графені ,: статистичний розподіл Фермі-Дірака, енергія, температура і частота фотона.
Для графена щільність станів приблизно дорівнює:

,

де енергія переносу збудження з одного вузла на інший (близько 3 еВ), а межатомного відстані (близько 1.42 A).

,



де швидкість Фермі в графені. твір t a можна оцінити зі співвідношення невизначеності:

.

Таким чином, граничний масштабне значення для універсальної динамічно провідності буде визначатися тільки через фундаментальні стали:

.

Дане значення і було підтверджено в дослідах Кузьменко в діапазоні енергій фотонів від 0.1 до 0.2 еВ.
Оптична проникність графена може бути представлена для одноатомного шару у вигляді:

швидкість світла. Тобто вона повністю визначається безрозмірними фундаментальними величинами.
У загальному випадку наявності декількох шарів:

,

де n = 1,2,3, ... число одноатомних шарів графену в зразку. Для наочності Нейро використовував в своїх зразках плавний перехід від одноатомного до двухатомного графена, і з точністю до кількох відсотків підтвердив описану теорію.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!