Влияние электрического и магнитного полей на электронные свойства графена

• Автор: Носаева, Татьяна Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 103 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1 Графен - перспективный материал науки и техники

1.1 Электронные свойства графена

1.2 Двухслойный графен

1.3 Квазиклассический метод исследования электронных свойств полупроводников и графена

1.4 Эффекты выпрямления переменных токов в полупроводниках и графене

1.5 Перспективы применения графена

1.6 Выводы первого раздела

2. Эффект выпрямления поперечного тока в графене

2.1 Моделирование эффекта выпрямления тока в графене, вызванного действием электромагнитной волны
2.2 Выводы второго раздела
3 Электрические свойства графена с примесями с использованием квазиклассического подхода
3.1 Вероятность ионизации примесей в графене под действием постоянного электрического поля
3.2 Проводимость графена с учетом ионизации примесей
3.3 Выводы третьего раздела
4 Эффект выпрямления переменных токов в графене в постоянном магнитном поле
4.1 Влияние магнитного поля на взаимное выпрямление переменных
токов в двухслойном графене
4.2 Выводы четвертого раздела
Заключение
Список литературы
Список основных публикаций автора

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Физические свойства графена, плоского монослоя атомов углерода, в стабильном состоянии плотно упакованных в двумерную гексагональную решетку, привлекает внимание, как специалистов физики конденсированного состояния, так и разработчиков переключательных электронных и оптоэлектронных устройств на основе этого материала. Уникальные свойства графена возникают, благодаря природе его носителей заряда - они ведут себя подобно релятивистским частицам без массы, для которых закон дисперсии в низкоэнергетическом приближении принимает вид Е(р) = V1 р, где энергия отсчитывается от так называемой точки Дирака, в которой валентная зона и зона проводимости соприкасаются. Носители заряда в графене имеют бесщелевой энергетический спектр, но дополнительное влияние подложки, примесей, перпендикулярного к поверхности графена постоянного электрического поля может приводить к появлению запрещенной зоны, и тогда в нем проявляются новые электронные свойства.
Результаты исследования природы физических процессов в графене и последние достижения микроэлектроники стимулируют теоретическое исследование влияния внешних электрических полей и электромагнитных волн на электронные свойства его и наноструктур на его основе. Энергетический спектр графена не аддитивен, поэтому воздействие электрического или магнитного поля на систему в одном направлении приводит к возникновению тока в перпендикулярном полю направлении.
Одним из методов определения особенностей электронных свойств графена является квазиклассическое приближение, с использованием которого можно рассматривать эффекты, проявляющиеся в области квазиклассически сильных полей. Подобные эффекты ранее были изучены в полупроводниковых сверхрешетках. Возникновение при определенных условиях запрещенной зоны в электронной структуре графена позволяет обнаружить такие эффекты, но в других диапазонах полей и частот.

На основании вышесказанного тема диссертации, посвященной теоретическому исследованию электронных свойств графена под влиянием электрического и магнитного полей с использованием квазиклассического метода, является актуальной.
Цель: выявление особенностей электронных свойств щелевой модификации графена при воздействии электрического и магнитного полей.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) вычислить методом Монте-Карло постоянную составляющую плотности тока, индуцированного в графене эллиптически поляризованной электромагнитной волной и постоянным электрическим полем при учете неупругого механизма рассеяния, рассматривая в монослойном графене два канала рассеяния электронов на фононах: оптических и акустических;
2) вычислить плотность тока в монослойном графене с щелевым энергетическим спектром с учетом ионизации короткодействующих примесей в постоянном электрическом поле и определить зависимость вероятности ионизации примесных центров от параметров процесса: глубины залегания примеси и напряженности электрического поля;
3) вычислить постоянную составляющую плотности тока в двухслойном графене под влиянием двух электромагнитных волн разных частот с параллельными плоскостями поляризации в присутствии постоянного магнитного поля.
Методы: квазиклассический метод, основанный на физическом приближении для определенных диапазонов напряженностей и частот электрических и магнитных полей; метод численного моделирования Монте-Карло, решение кинетического уравнения Больцмана, где столкновительный член выбирается в модели с постоянной частотой столкновений, а также метод итерации и другие методы аналитического расчета.

1.5 Перспективы применения графена
Графен может быть использован как перспективный материал для применения в микро- и наноэлектронике. По способу получения, электронным и физическим свойствам различают несколько видов графена. Основные его разновидности:
- exfoliated graphene - образец, который помещен на поверхность диоксида кремния и имеет линейный закон дисперсии,
- эпитаксиальный графен (epitaxial graphene) на подложке карбида кремния,
- графен на подложке нитрида бора (в энергетическом спектре данных модификаций присутствует запрещенная зона) и
- графен, полученный в свободном состоянии (suspended graphene). Широко исследуются искусственные структуры на основе графена - графе-новые наноленты {graphene nanoribbons), графеновые квантовые точки, гра-феновые сверхрешетки, которые представлены в работе [26], а также Zhou
S.Y., Gweon G.-H., Fedorov A.V. с соавторами {Nature Materials, 2007) [44], Davydov S. Yu. {Semiconductors, 2011) [45], Giovannetti G., Khomyakov P.A., Brocks G.c соавторами {Physical Review B, 2007) [46].
Носители заряда в графене обладают высокой подвижностью, как показано в работах [1, 13], а баллистический транспорт может применяться в устройствах вплоть до микрометровых размеров, что выявилось в работе [12]. Вероятно, наилучшими вариантами для полевых транзисторов, базированных на графене, окажутся устройства на квантовых ямах и те, которые будут использовать р-п переход в двухслойном графене.
При конструировании полевых транзисторов необходимо повышать степень легирования, что избежать уменьшения подвижности при повышении концентрации носителей. Увеличение вероятности столкновения носителей с ионами доноров связано с повышение концентрации доноров и может
привести к снижению подвижности носителей. Использование гетероперехо-