Geum.ru

«Фуллерены углеродные нанотрубки графен»

Вид материалаДокументы

Содержание


Глава 3.Графен 3.1Общие сведения о графене
Рисунок 10. Структура графена
3.2Свойства графена
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Глава 3.Графен

3.1Общие сведения о графене


Графен (англ. graphene) — слой атомов углерода, соединённых посредством sp-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла.

Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона (область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости).



Рисунок 10. Структура графена

Двухмерную аллотропную форму углерода, описанную теоретически более 60 лет назад и широко используемую для описания свойств различных материалов на основе углерода, очень долго не удавалось получить практически, поскольку считалось, что двухмерные кристаллы не могут существовать из-за своей нестабильности. Это мнение было опровергнуто лишь в 2004 году, когда совместными усилиями ученых Манчестерского университета (Великобритания) под руководством профессора Андре Гейма и российского Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых металлов в Черноголовке под руководством доктора К.Новоселова удалось получить и воспроизвести структуру графена. За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.

3.2Свойства графена


По прочности на разрыв он превосходит сталь в 200 раз, а масса пленки графена толщиной в один атомный слой размером с футбольное поле составляет менее 1 г. Удельное электрическое сопротивление этого материала при комнатной температуре равно ~1 мкОм·см, что на 35% меньше, чем у меди, подвижность носителей заряда при комнатной температуре составляет 20 м2/В·с против 0,15 м2/В·с для кремния и 0,77·103 м2/В·с для антимонида индия, характеризуемого самой высокой подвижностью носителей заряда среди современных полупроводниковых материалов. Все это делает графен весьма перспективным для реализации на его основе микросхем, измерительных устройств, биодатчиков, ультраконденсаторов, гибких дисплеев и других инновационных устройств, превосходящих по своим характеристикам современные приборы.

Уникальные свойства графена обусловлены его кристаллической и электронной структурами. В полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) взаимодействуют с периодическим полем кристаллической решетки, приводя к образованию квазичастиц (возбужденных состояний, ведущих себя как реальные частицы). Энергия квазичастиц в твердом теле зависит от их момента и описывается их энергетическим состоянием, находящимся либо в заполненной валентной зоне, либо в относительно "пустой" зоне проводимости. Эти энергетические зоны разделены запрещенной зоной, в которой энергетические состояния отсутствуют.

Строение, особенности связывания и незначительная атомная масса обуславливают высокую теплопроводность различных аллотропных модификаций углерода, включая алмаз, графит и углеродные нанотрубки. Проведенные ранее исследования свободно подвешенного листа графена показали, что и эта модификация углерода отличается высоким значением коэффициента теплопроводности (К). Определенная для «подвешенного» графена теплопроводность составляла около 5000 Вт/(м*К), что в 2.5 раза больше, чем у прежнего «рекордсмена по коэффициенту теплопроводности» – алмаза.

Кристаллическая структура графена состоит из двух эквивалентных подрешеток, что приводит к образованию двух энергетических зон и двух "конических" точек на уровне нулевого заряда носителей К и К’, в которых валентная зона и зона проводимости соприкасаются. В результате носители заряда в графене ведут себя как фотоны, или безмассовые квазичастицы с постоянной "эффективной" скоростью света (скоростью Ферми) νF ≈ 106 м/с. При этом электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым значением спина, и они заряжены. В настоящее время аналогов для таких безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно высокую подвижность – параметр, характеризующий пригодность материала для применения в современной электронике. Согласно измерениям рассеяния акустических фотонов графена, выполненных группой ученых под руководством А.Гейма и К.Новоселова, предельное значение подвижности носителей в этом материале при комнатной температуре и плотности носителей 1012 см-2 составляет 20 м2/В·с. (Подвижность носителей в кремнии составляет 0,15 м2/В·с) Соответствующее значение удельной проводимости слоя графена составляет 10-6 Ом·см. При повышении температуры подвижность падает. Это связано с тем, что графен не представляет собой идеально плоский лист и имеет рифленую поверхность.

При повышении температуры морщины и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Полученные значения подвижности свидетельствуют о том, что электроны могут перемещаться в графене на большие расстояния баллистически (без столкновений) и при комнатной температуре. Это свойство графена делает его многообещающим материалом будущих наноэлектронных систем.

Отсутствие запрещенной зоны в графене означает, что, хотя на его базе можно изготовить "углеродный полевой транзистор", никакое внешнее напряжение не сможет закрыть этот транзистор. И здесь возникает вопрос, как использовать необычайно высокую подвижность носителей заряда графена в наноэлектронике? Очевидно первое, что надо сделать, – это "открыть" запрещенную зону.

Ученым Калифорнийского университета в Беркли под руководством Фенг Ванга удалось показать, что при изменении внешнего напряжения, приложенного к двухслойному графену, от 0 до 250 мВ можно управлять шириной запрещенной зоны материала в пределах от 0 до 250 мэВ.