Свойства графена. Графит, используемый в карандашах с 1564 г., состоит из атомов углерода, является полуметаллом, имеет электронную проводимость и отрицательный температурный

Графит, используемый в карандашах с 1564 г., состоит из атомов углерода, является полуметаллом, имеет электронную проводимость и отрицательный температурный коэффициент. Кристалл графита представляет собой стопку плоских гексагональных кристаллических решеток, расстояние между ними 3,37А, ван-дер-ваальсовы связи между слоями слабые, они легко отделяются друг от друга, оставляя след карандаша на бумаге. Отделенная от графита плоская гексагональная решетка из атомов углерода называется графеном, расстояние между соседними атомами 1,42А, их связи ковалентные. Графен проявляет уникальные физические свойства:

1. Является высоко коррелированной электронной системой с механической прочностью в 200 раз превышающую сталь.

2. Носители тока электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу, описываются релятивистским уравнением, имеют рекордно высокую подвижность и баллистический транспорт при комнатной температуре.

3. Нанолента графена может быть полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, или полупроводником с запрещенной зоной, ширина которой зависит от поперечного размера наноленты, от кристаллической формы края, от внешних электрических и магнитных полей, от посторонних атомов, присоединенных к краю.

В 2006 г. на основе графена получен полевой транзистор p-типа. В 2009 г. из графеновой наноленты создан полевой транзистор n-типа. Размеры затворов менее 10 нм. Графен является перспективным кандидатом на замену кремния в наноэлектронике.

Присоединение атомов водорода путем химической реакции ко всем атомам графена дает пленку с гексагональной решеткой – графан, являющийся диэлектриком. Обратный процесс освобождает водород и восстанавливает графен, что актуально для водородных топливных элементов.

Графен площадью до 1000 мкм² получили К.С. Новоселов, А.К. Гейм, С.В. Морозов в 2004 г. методом микромеханического расслоения графита при трении о поверхность окисленного кремния. Графен на поверхности кремния, покрытого слоем SiO₂ толщиной d ~ 300 нм наблюдается при помощи оптического микроскопа в виде темного пятнышка. Другой метод получения графена использует сильное нагревание кристалла SiC в вакууме, что приводит к сублимации кремния и на поверхности кристалла возникает графен. Используют также расслаивание графита при помощи липкой пленки с последующим осаждением на поверхность окисленного кремния.

Кристаллическая решетка графена. Атом С имеет 4 валентных электрона, 3 из них обеспечивают ковалентные связи с тремя соседними атомами гексагональной решетки. Четвертый электрон находится в состоянии , , с осью z, перпендикулярной кристаллической плоскости. Он перескакивает с одного атома на другой, обеспечивая электропроводность. Плоская гексагональная решетка на рис. 8.1, а имеет край в форме зигзага по вертикали и в форме кресла по горизонтали.

а б

Рис. 8.1. Гексагональная решетка

Элементарная ячейка (x,y,z,w) в виде ромба со стороной содержит два атома A и B, расстояние между которыми . Это дает две треугольные подрешетки, показанные светлыми и темными кружочками. Модули векторов трансляции подрешеток a ₁ и a ₂ одинаковы и равны постоянной решетки . На рис. 8.1, б показана первая зона Бриллюэна в виде шестиугольника. Два разных типа вершин описывают вектора K и K '. Эти вершины называются точками Дирака и образуют поверхность Ферми.