Фізики зігнули «сендвіч» із графену між двома шарами нітриду бору та змінили відстань між атомами — їхній енергетичний зв'язок. Так вони посунули точки Дірака — переходи між зоною провідності та валентною зоною у графені, а заразом і змінили його електропровідні властивості. Дані експерименту зійшлися із теоретичними припущеннями, а сам він став доказом можливості розробляти нові оптичні та електронні характеристики графену, деформуючи його. Результатами дослідження вчені поділилися у Communications Physics.
Milan Orlita et al.
Навіщо гнули графен?
Графен є однією із модифікацій вуглецю — гексагональна решітка товщиною в один атом. За його відкриття у 2010 році вручили Нобелівську премію, а сам матеріал вже давно став привабливим для безлічі у першу чергу експериментальних досліджень. Він набуває максимальної рухливості носіїв заряду серед усіх відомих матеріалів завдяки своїй двомірності, а поруч із гнучкістю володіє здатністю протистояти деформаціям. Керувати його властивостями фізики навчилися, складаючи графенові «сендвічі» з меташарами інших матеріалів, або скручуючи його під «магічним» кутом, з яким електронам вдається проходити без опору і втрати енергії. Загалом графен є ідеальною модельною платформою, з якою фізики мають змогу перевіряти безліч екзотичних ефектів як-то надпровідність чи гідрофобність. А тому керування його електронними властивостями за допомогою зовнішньої деформації не мало довго очікувати на експериментальні дослідження.
Теоретики передбачують можливість змін низькоенергетичної зонної структури графену, зміну швидкості Фермі, зрушення точок Дірака чи колапс рівнів Ландау. Однак, вивчення впливу деформації все ще залишається складним завданням через відсутність можливості точного відслідковування процесу, налаштування параметрів або спричинених нею змін тієї ж ємності затвора, яким до графену прикладають напругу. У своїй роботі дослідники Швейцарського інституту нанонаук також вивчали, як можна управляти електронними властивостями цього матеріалу за допомогою механічного розтягування. А щоб уникнути обмежень попередніх експериментів, свій графеновий «сендвіч» розтягували за температури мінус 269 градусів Цельсію на спеціальній підкладці, вимірюючи його електронні властивості за допомогою раманівської спектроскопії.
Чим зігнутий графен відрізняється від рівного?
Згинаючи графен, вчені очікували змінити відстань між атомами вуглецю і, отже, їхній енергетичний зв'язок. У графені одним з основних ефектів такого спотворення є енергетичний зсув точок Дірака — переходів між валентною зоною і зоною провідності. Вони власне і зумовлюють провідні властивості цього матеріалу.
Тут річ у тім, що графен ми не можемо віднести конкретно до металів або напівпровідників — він є чимось посереднім, володіючи проміжними властивостями. Він, так само як і метали, не має забороненої зони — енергетичної «прірви» між валентною та провідними зонами для електронів, енергія якої набагато більша за ту, яку вони можуть подолати. Так-от у провідників її немає, а тому валентна та провідні зони перекриваються та не заважають електронам брати участь у провідності. Але графен все ж не є провідником, тому у нього ці зони перекриваються не повністю, а точково — у точках Дірака. Причому ці точки виникають не просто так — частинка має набути певного імпульсу і вже з ним переходити у провідну зону.
Якщо графічно представити енергію електронів і їхнє положення, ми отримаємо пісочний годинник — з'єднані вершинами у точках Дірака «конуси Дірака». Yomach / Wikimedia Commons
У своїй роботі фізики згинали свій графеновий «сендвіч» з нуля до 0,8 міліметра та змогли зрушити точку Дірака, що змінило щільність заряду матеріалу за заданої напруги затвора. Так вони посунулися у діапазоні від 2,5 до 4,1 електронвольта. Спочатку вчені приготували «сендвіч» із шару графена між двома шарами нітриду бору. Його разом із електричними контактами помістили на гнучку підкладку розміром 24 × 9,5 × 0,3 міліметра з опорами та клином у центрі для згинання. Зі збільшенням кута згинання, а отже з більшим згинанням, коливання провідності систематично зміщуються в бік більш низьких напруг затвора, а потім повертаються при вигинанні назад.
Що це означає?
За словами вчених, це перший систематично виміряний характеристичний експеримент зі зміни точок Дірака, який повністю узгодився із теоретичними розрахунками. Причому такий докладний аналіз дозволив виключити всі альтернативні пояснення спостережуваного явища. Так, наприклад, вигин зразка міг просто викликати перерозподіл домішок (наприклад, залишків полімеру). Але тоді таке змішування відбувалося б випадковим чином, а спектроскопія вказала на систематичні зміни характеристик провідності зі збільшенням деформації. До того ж вони виявилися оборотними для декількох циклів збільшення і зменшення.
Крім того, вчені відкинули і версію про вплив напруги від затвора — проблему попередніх експериментів. Так вигин підкладки дійсно може викликати зміни ємності затвора, що призведе до зміни властивостей графену. Та в експерименті ємність затвора підтримували постійною. Так це перший доказ можливості коригування властивостей графену механічними деформаціями, що відкриває шлях для розробки нових оптичних і електронних якостей у ньому та створення нових датчиків або нових типів транзисторів.
Ілюстрація зрушень точок Дірака (а), схема установки для згинання матеріалу (b) та сам графеновий «сендвіч» (с). Lujun Wang et al. / Communications Physics, 2021