Fig. 1. Två typer av bigrafen:AA-staplad dubbelskiktsgrafen där varje atom i det övre arket sitter exakt ovanpå en atom i det nedre arket och AB-staplad dubbellagersgrafen där endast hälften av atomerna i det övre arket ligger över en annan atom, medan den andra halvan ligger över mitten av en hexagon som bildas av atomerna i det nedre arket. Kredit:MIPT Press Office
Ett internationellt team av forskare har organiserat tillgängliga bibliografiska data om tvåskiktsgrafen, ett högpotentialmaterial med möjliga tillämpningar inom elektronik och optik. Granskningen publicerades i Fysiska rapporter .
Grafenrushen
Utvecklingen av mikroelektronik är nära förknippad med sökandet efter ny teknik och material för användning i transistorer. Ett lovande material, grafen, fångade uppmärksamheten hos både forskare och ingenjörer tack vare dess ovanliga mekaniska, elektrisk, och optiska egenskaper. Grafenruschen började 2004 med publiceringen av en tidning av Konstantin Novoselov och Andre Geim i Vetenskap . Från och med idag, över 10, 000 artiklar som handlar om grafen har publicerats och mer än tusen patent relaterade till materialet har beviljats.
Tvåskiktsgrafen, eller bigrafen, är en av de spännande formerna av grafen, som för närvarande vinner draghjälp:Bara under 2014 och 2015, mer än 1, 000 artiklar om bigrafen publicerades.
Dr Alexander Rozhkov, en medförfattare till den aktuella recensionen, sammanfattar lagets prestation:"Att skriva recensionen om tvåskiktsgrafen, vi tillbringade två år med att studera och organisera alla de mest betydelsefulla experimentella och teoretiska fynden på området. Som ett resultat, vi publicerade en recension som citerade ungefär 450 vetenskapliga artiklar om tvåskiktsgrafen och relaterade ämnen. Just nu, det är den mest omfattande recensionen som behandlar frågan, både när det gäller det stora antalet referenser och omfattningen av ämnet."
Varför två är bättre än en
En av de attraktiva egenskaperna hos grafen är dess höga laddningsbärarrörlighet. Faktiskt, det är dussintals gånger högre än den analoga mängden i kisel, det bästa materialet i modern mikroelektronik. Elektroner och hål (elektronvakanser) i grafen kan röra sig lätt och snabbt under påverkan av ett yttre elektriskt fält. Dock, en transistor baserad på enskiktsgrafen har en betydande nackdel genom att den inte kan stängas av effektivt. Detta förklaras av det faktum att grafen inte har ett bandgap, dvs. en rad energivärden som är förbjudna för dess elektroner. Följaktligen, strömflödet genom en sådan transistor kan inte stängas av helt.
Den största fördelen med tvåskiktsgrafen är möjligheten att lokalt inducera ett bandgap och justera dess storlek genom att applicera ett starkt elektriskt fält vinkelrätt mot kolskikten. Detta innebär att den skulle kunna användas för att designa nästa generations transistorer som skulle fungera snabbare och använda mindre energi, vilket är särskilt viktigt för bärbara batteridrivna enheter. Dessutom, möjligheten till bandgap tuning innebär att det finns ännu mer potential för tillämpningar inom optoelektronik och sensorer.
Fig. 2. Den tredje typen av bigrafen som kallas vriden dubbelskiktsgrafen. De vita hexagonerna markerar gränserna för supergitterceller (moirémönsterceller). Kredit:MIPT Press Office
Ändå, en verklig mikroelektronikrevolution har ännu inte kommit. Jämfört med vanlig grafen, ett högkvalitativt dubbelskiktsprov är svårare att tillverka, eftersom man måste kontrollera materialkvaliteten och precisionen i lagerinriktningen för att bevara hög laddningsrörlighet och andra egenskaper.
Det finns tre huvudtyper av bigrafen. I AA - staplad tvåskiktsgrafen, skikten är inriktade på ett sådant sätt att varje atom i det övre arket sitter exakt ovanpå en atom i det nedre arket. I AB - staplad tvåskiktsgrafen, lagren är överlagrade på ett annat sätt, nämligen., bara hälften av atomerna i det övre arket ligger över en atom, medan den andra halvan ligger över mitten av en hexagon i det undre arkets kristallgitter (se fig. 1). I en annan variant, kallad vriden bigrafen, ett skikt roteras med en förutbestämd vinkel i förhållande till det andra skiktet. Var och en av de tre typerna har sina egna speciella egenskaper, som behöver studeras.
Grafen framtid
Vid det här laget, många av de initialt föreslagna teoretiska scheman och koncepten har absorberats av det vetenskapliga samfundet. Förutsägelser som gjordes tillbaka i pre-grafen-eran (1980- och 90-talen) och strax efter början av grafenruschen har testats tack vare de snabba framsteg som gjorts av experimentell grafenvetenskap under det senaste decenniet. För närvarande, forskare är engagerade i att hitta tillämpningar för materialet. Fortfarande, Grundforskare (som inte söker några omedelbara tillämpningar) är också upptagna med att lösa nya problem som uppstår inom området grafensystem. För en sak, i vilken utsträckning Coulomb-avstötningen mellan elektroner kan påverka egenskaperna hos grafensystem är fortfarande okänd. För att ta itu med denna fråga, begrepp som är relativt nya för fasta tillståndets fysik diskuteras, t.ex., de marginella Fermi-vätsketillstånden och topologiskt ordnade tillstånden.
Författarna till granskningspapperet har studerat tvåskiktsgrafen i sex år. De bidrog till förståelsen av detta materials elektroniska struktur. Särskilt, de undersökte möjligheten att spontan symmetri bryter in AA -staplad tvåskiktsgrafen. Forskarna förutspådde också teoretiskt instabiliteten hos elektrondelsystemet i AA -staplade bigrafen och identifierade möjligheten till antiferromagnetisk ordning och rumsligt inhomogena tillstånd i ett dubbelskiktssystem. Förutom det, författarna undersökte enelektrontillstånd i vriden tvåskiktsgrafen vid olika vridningsvinklar och för olika supergittercellstorlekar, där begreppet en supergittercell (alias moirémönstercell; se fig. 2) hänvisar till en relativt stor periodiskt förekommande struktur i atommönstret, som uppstår när två överlagrade grafenark vrids i förhållande till varandra.
Dr Artem Sboychakov, en medförfattare till översikten och en senior forskare vid laboratoriet nr 1 vid Institutet för teoretisk och tillämpad elektrodynamik kommenterade publiceringen av recensionen:"Det är ett gemensamt kännetecken för alla system med ett moirémönster inklusive vriden dubbelskiktsgrafen som de är utrustade med ganska komplex fysik - mestadels på grund av deras strukturs invecklade egenskaper. Vissa aspekter av deras beteende, såsom effekterna av interaktioner mellan elektroner, är ännu inte helt klarlagda. Vi bör förvänta oss ett antal spännande upptäckter inom detta område. "
MIPT:s Dr Alexander Rakhmanov som leder Laboratory No. 1 vid Institutet för teoretisk och tillämpad elektrodynamik tillade:"Vårt team har betydande erfarenhet av teoretiska studier av elektron-elektroninteraktioner i grafenbaserade system. Dessa dagar, förutom rent analytiska tillvägagångssätt, numeriska teknikers roll kan inte överskattas. De hjälper oss att hitta svaren på många av de viktiga teoretiska frågorna. Författarna till denna översikt forskar främst vid RIKEN Institute of Physical and Chemical Research i Japan och vid Institutet för teoretisk och tillämpad elektrodynamik, som samarbetar nära med MIPT:s institution för elektrodynamik i komplexa system och nanofotonik. Mellan dessa två nyckelinstitut, vi har tillräckligt med datorkraft för att genomföra omfattande beräkningsstudier. Jag tror att jag skulle kunna sammanfatta resultaten av min egen forskning och erfarenheterna vi fick när vi skrev recensionen genom att säga att vi kunde förvänta oss att grafen och system baserade på detta material förblir en källa till vetenskaplig inspiration för många forskare – både teoretiker och experimentalister – i flera år framöver."
