Ученые разработали новый способ изменять свойства двуслойного графена

Группа французских ученых во главе с Винсентом Т. Ренаром (Vincent T. Renard) опубликовала в Physical Review Letters статью о новом способе управления свойствами изделий из графена.

Графен — модификация углерода с двумерной решеткой: атомы в состоянии в sp²-гибридизации соединены в шестигранники. Условно такое строение можно рассматривать как одну плоскость графита.

Этот материал популярен в научной среде, постоянно разрабатываются новые возможности применения. Например, пленка поли(3-гексилтиофена) при нанесении на подложку из графена повышает проводимость по сравнению с кремниевой подложкой. Сам графен обладает сверхпроводимостью при определенных условиях.

Тонкость и гибкость материала с полупроводниковыми свойствами важны для промышленности. Специалисты используют не только одиночные слои графена, но и многослойные. Двуслойные конструкции — простейшие, их свойства изучают в первую очередь. Слои притягиваются друг к другу при помощи ван-дер-ваальсовых сил — диполь-дипольного, индукционного и дисперсионного взаимодействия с энергией 10-20 кДж/моль. Разноименные заряды притягивает друг к другу, даже если они образованы случайными флуктуациями.

Свойства двуслойной укладки зависят от способа расположения листов.

Первый, отличающийся от обычного наслаивания, — поворот одной кристаллической решетки относительно второй, что образует муар — структуру с дополнительным периодом повторения рисунка, который больше размера одной ячейки слоя.

Атомы одного слоя в такой геометрической системе находятся либо над атомами второго слоя, либо над «промежутком» между ними. Изменение угла поворота слоя регулирует периодичность муара. Расположение зон взаимодействия атомов влияет на полупроводниковые свойства материала.

Французские исследователи из Университета Гренобль-Альпы решили проверить, что будет, если не просто поворачивать один слой относительно другого, но и растягивать его. Это возможно, так как ван-дер-ваальсовые силы слабы и позволяют слоям «скользить». В физическом смысле речь не идет о растяжении готового слоя: экспериментаторы выращивали второй слой графена поверх первого с заданным искажением.

Такое дополнительное воздействие приводит к усложнению муара. На рисунке растянут верхний слой (обозначено красными стрелками):

Исследование структуры показало соответствие предварительным теоретическим предположениям. Ученые обнаружили области с увеличенным количеством электронных состояний, которые могут служить потенциальными ямами для электронов, и запрещенные зоны шириной около 100 мэВ. Корректировка степени растяжения слоев и угла сдвига влияет на образование таких неравномерностей структуры, и это приводит к изменению свойств материала.

Пока еще не сделаны практические открытия, однако новый метод дает дополнительную «степень свободы» для экспериментов.

Гексагональная плоская структура графена настолько уникальна, что сейчас ученые разрабатывают материал, в котором вместо атомов углерода в узлах решетки расположены полупроводниковые нанокристаллы.