Электронные свойства графена и других двумерных кристаллов

• Автор: Морозов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 192 с. : ил.

Оглавление

Введение. Общая характеристика работы

Глава 1. Многослойные пленки графита

1.1. Двумерный электроннодырочный газ на поверхности графита

1.2. Получение атомнотонких пленок графита и изготовление структур на их основе.

Глава 2. Свойства монослойного графсна

2.1. Дираковскис безмассовые фермионы носители заряда в монослойном графене

2.2. Влияние металлических контактов и макроскопической неоднородности на транспортные свойства графена вблизи точки электронейтральности

2.3. Квантовый эффект Холла в графене при комнатной температуре

Глава 3. Двухмонослойный графен

3.1. Квантовый эффект Холла и массивные киральные фермионы в двухмонослойном графене

3.2. Формирование и управление запрещенной зоной двухмонослойного графена электрическим полем
Глава 4. Другие двумерные кристаллы
4.1. Двумерные кристаллы из неуглеродных материалов
4.2. Графан двумерный кристалл на основе химически модифицированного графена
Глава 5. Механизмы рассеяния в графене
5.1. Подавление слабой локализации в графене
5.2. Предел подвижности носителей заряда в графене
5.3. Влияние диэлектрической проницаемости окружающей среды на подвижность носителей заряда в графене
Глава 6. Некоторые приложения на основе графена
6.1. Газовые датчики на основе графена детектирование
единичных молекул газа
6.2. Использование графена в жидкокристаллических устройствах
Заключение
Литература


Выявленные квантовые осцилляции Шубникова - де Гааза показывают существование двух типов носителей заряда, как в электронном, так и в дырочном газе. Возможность управлять электронными свойствами материала за счет приложения внешнего напряжения лежит в основе современной электроники. Во многих случаях это представляет собой результат воздействия электрического поля, который позволяет изменять концентрацию носителей в полупроводнике и, следовательно, изменять электрический ток, протекающий через него. Самые известные из недавних примеров таких материалов - органические проводники [8] и углеродные нанотрубки [9]. Долгое время стояла задача расширения области применения полевого эффекта в металлах (например, создание цельнометаллических транзисторов, которые могли бы иметь намного меньшие размеры, меньшее потребление энергии, и могли бы работать на более высоких частотах, чем традиционные полупроводниковые устройства []). Однако это потребовало бы создания металлических пленок толщиной порядка одного атомного слоя, поскольку электрическое поле экранируется на чрезвычайно коротких расстояниях (<1 нм), а объемные концентрации носителей заряда в металлах имеют большую величину по сравнению с поверхностным зарядом, который может быть индуцирован полевым эффектом. Столь тонкие пленки склонны к термодинамической нестабильности и при толщинах в несколько нанометров теряют сплошность. На данный момент данное обстоятельство оказалось непреодолимым препятствием к созданию «металлической электроники», и металлы или полуметаллы не продемонстрировали пока сколько-нибудь заметный (>1%) полевой эффект []. Чтобы эффект электрического поля в графитовых пленках был заметен на фоне шунтирующей объемной проводимости, требовалось изготовить пленки толщиной атомарного масштаба. Были получены пленки различной толщины — от монослойных до пленок, толщиной в несколько десятков нанометров. Свойства принципиально новых двумерных объектов -монослойного и двухслойного графена - будут рассмотрены более детально в главах 2 и 3. В данной главе рассматривается двумерный электронный газ, индуцируемый внешним электрическим полем на поверхности многослойных пленок графита. Графен - это название, данное монослою атомов углерода, плотно упакованных в структуру, подобную бензольному кольцу. Предполагалось, что плоский графен в свободном состоянии не существует, будучи нестабильным из-за формирования искривленных структур, таких как сажа, фуллерены и нанотрубки [-]. Нам удалось выделить из графита листы толщиной до нескольких атомных слоев (включая монослойный графен), изготовить из них образцы и изучить их электронные свойства. Несмотря на их толщину, порядка одного атома, качество пленок оставалось достаточно высоким, для того, чтобы двумерный электронный транспорт на субмикронных расстояниях являлся баллистическим. Никакая другая пленка аналогичной толщины, не защищенная от окружающей среды, не проявляет даже слабых металлических свойств, и не бывает непрерывной. Используя счетнослойный графен, мы продемонстрировали металлический полевой транзистор, в котором проводящий канал может переключаться между -электронной и дырочной проводимостью, за счет изменения напряжения на затворе. Двухмерный (2Э) газ проявил себя как одна из самых широко распространенных и богатых на различные физические эффекты систем. На протяжении уже нескольких десятилетий он вполне заслуженно привлекает к себе значительный интерес физиков и инженеров, что привело к открытию целой гаммы явлений и способов их использования, включая полевой транзистор, а также целочисленный и дробный квантовый эффект Холла. До настоящего времени все 2И-системы были основаны на полупроводниках, в которых носители заряда индуцированы или локальным легированием, или с помощью эффекта внешнего электрического поля []. Что касается металлических материалов, то, несмотря на множество затраченных к настоящему времени усилий, оказалось сложным изменять собственные концентрации носителей за счет эффекта электрического поля даже в полуметаллах (см.