Двошаровий графен отримав властивості напівпровідника після повороту та розтягнення шарів

Французькі фізики розробили спосіб керування електронними властивостями з «скрученого» двошарового графена, запропонувавши незалежно розтягувати кожен з шарів в розорієнтованій структурі. Це дозволяє, зокрема, відійти від традиційної для графену лінійної структури електронних зон і отримати області з плоскими забороненими зонами, пишуть вчені в статті в.

Один з поширених методів управління електронними властивостями графена - створення двошарових структур, в яких один шар пов'язаний з іншим за допомогою вандерваальсових сил. Така двошарова система має важливу перевагу порівняно зі звичайним одношаровим графеном - у ній шари можна повертати один відносно одного. Цей поворот призводить до утворення гексагональних муарових структур - почесних візерунків, в яких через розорієнтованість між собою двох шарів біля решітки з'являється додатковий період, що в кілька разів перевищує період атомарної графенової комірки.

У такій системі відбувається чергування різного типу вирівнювання двох шарів один відносно одного - атом верхнього шару графена може знаходитися або над атомом нижнього шару, або над «ямкою» між двома атомами. Різні типи вирівнювання по-різному впливають на структуру енергетичних зон матеріалу і, таким чином, змінюючи кут повороту, можна керувати електронними властивостями матеріалу.

Французькі фізики під керівництвом Венсана Ренара (Vincent T. Renard) з Університету Гренобль-Альп досліджували ще один метод управління електронними властивостями двошарового графена: вчені запропонували не просто повертати один шар щодо іншого, але при цьому ще й злегка розтягувати шари незалежно один від одного, в результаті чого між періодами їх кристалічних решіток з'являється невелика відмінність.

У своїй роботі фізики використовували методику, за допомогою якої можна деформувати вздовж одного з головних напрямків решітки кожен з шарів двошарового графена, які повернуті відносно один одного на 1,25 градуса. Величина деформації в експерименті не перевищувала декількох десятих часток відсотка. Автори роботи відзначають, що розтягувати шари незалежно один від одного в двошаровому графені можливо завдяки тому, що вони пов'язані між собою не ковалентним зв'язком, а за рахунок відносно слабкої вандерваальсової взаємодії. Як і в разі недеформованого двошарового графена, в утвореній структурі чергуються зони правильного вирівнювання двох шарів і зони, в яких шари зміщені один відносно одного на півперіода, однак такі зони утворюють не гексагональну решітку, а більш складну.

За допомогою скануючої тунельної мікроскопії і раманівської спектроскопії фізики вивчили, як при такому розтягненні змінюється просторова та електронна структура двошарового графена і підтвердили отримані дані за допомогою теоретичних розрахунків. Виявилося, що за допомогою запропонованої методики можна призвести до перетворення структури діраківських конусів (з лінійним зв'язком між енергією та імпульсом електрона і нульовою забороненою зоною), характерною для одношарового графена, в значно складнішу структуру. Дослідники відзначають, що в отриманій структурі зустрічаються як області, характерні для недеформованої муарової двошарової структури, так і нові елементи. Зокрема, в ній присутні області з плоскою забороненою зоною шириною близько 100 мільйелектронвольт.

За словами фізиків, для опису досліджених ними структур потрібне більш докладне теоретичне вивчення, проте отримані результати свідчать про перспективність використання запропонованої методики для управління електронними властивостями графенових матеріалів у наноелектронних пристроях.

Можливість зміни взаємної орієнтації шарів у графенових структурах - важливий інструмент керування електронними властивостями не тільки двошарового, а й тришарового графена. Наприклад, нещодавно вчені запропонували метод отримання тришарового графену з потрібним порядком шарів, що дозволяє отримувати в графені електронні зони з потрібною формою і відомою шириною забороненої зони.