موصل فائق الجرافين متعدد الطبقات: التحقيق في المناطق المسطحة

إلى حد بعيد ، بعد اكتشاف مادة ما ، يفهم العلماء على الفور جميع خصائصها. إن تحسين التقنيات ، بما في ذلك الأساليب والتقنيات وطرق البحث ، يفتح فرصًا جديدة للعلماء الذين يريدون فهم ما وكيف يعمل من حولنا. اليوم سنتعرف على كيفية تعلُّم الباحثين أن الجرافين قد يكون له خصائص الموصل الفائق. تمت دراسة الموصلية الفائقة منذ بداية القرن الماضي ، ولا يعرف العلماء حتى الآن جميع جوانب هذه الظاهرة الفيزيائية. كيف تمكن فريق البحث بالضبط من "إعادة تكوين" الجرافين ، وما النتائج التي أظهرتها التجارب ، وماذا يتوقع من البحث في المستقبل؟ سيساعدنا تقرير العلماء في العثور على إجابات لهذه الأسئلة. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

بادئ ذي بدء ، حرفيا ، باختصار ، دعونا نذكر أنفسنا ما هو الجرافين وما يتم تناوله به ، إذا جاز التعبير.

الجرافين ، أولاً وقبل كل شيء ، هو هيكل ثنائي الأبعاد يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. بمعنى آخر ، إنه طبقة أحادية من الجرافيت (المصدر الرئيسي للجرافين).

يحتوي الجرافين على خصائص كهروكيميائية فريدة من نوعها ، مما يجعله مرشحًا مثاليًا لدور رئيسي في دراسات مختلفة وكأساس ممكن للتقنيات المستقبلية.

في الظروف المعملية ، يتم الحصول على الجرافين بطريقة معقدة للغاية وتستغرق وقتًا وتتطلب دقة لا تصدق. ولكن بهذه الطريقة يمكنك الحصول على أكبر قدر ممكن من المنتجات عالية الجودة. أساس هذه الطريقة هو التأثير الميكانيكي على الجرافيت الحراري المنحرف للغاية.

في هذه الدراسة ، لا يتم استخدام الجرافين أحادي الطبقة ( MLG ) ، ولكن ثنائي الطبقة ( BLG ). نظرًا لأن هذه المادة لها خاصية فيزيائية مثيرة للاهتمام - فجوة النطاق * التي تحدث عندما يتم تشكيل عدم التماثل بين طبقتين من الجرافين.

المنطقة المحرمة * هي نطاق قيم الطاقة التي لا يمكن للإلكترون امتلاكها في بلورة مثالية. هناك 3 أنواع رئيسية من الأنواع الصلبة وفقًا لمؤشرات فجوة النطاق (eV - electron-volt): المعادن - لا توجد فجوة نطاق وأشباه الموصلات - حتى 3-4 eV وعازل - أكثر من 4-5 eV.

يتم تشكيل المنطقة المحظورة من الجرافين ثنائي الطبقة بسبب تفرد فان هوف.

المشكلة الرئيسية للموصلات الفائقة هي أنها في درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية. يحاول العلماء رفع درجة حرارة الحدود إلى درجة حرارة الغرفة. يستشهد الباحثون C ₆ CaC ₆ كمثال ، وهو قادر على الحفاظ على الموصلية الفائقة عند 4 كلفن (-269.15 درجة مئوية) ، وهذا ، كما تعلمون ، بعيدًا عن درجة حرارة الغرفة.

تكمن الإجابة المحتملة على سؤال درجة الحرارة في الجمع بين الجرافين ثنائي الأبعاد مع مواد أخرى مماثلة. يلفت الباحثون انتباهنا إلى نظرية BCS ، التي تصف إمكانية الاقتران بين الإلكترونات بالدوران العكسي والعزم. في تبادل الفوتونات ، بالقرب من سطح فيرمي ، تبدأ الإلكترونات في جذب بعضها البعض. وبالتالي ، يمكن أن تتكون أزواج الإلكترونات ، والتي ، من الناحية النظرية ، لن تتفاعل مع إلكترونات مفردة أو شبكة شعرية ، أي أن الأزواج سوف تتحرك دون فقدان الطاقة. وبالتالي ، يمكن زيادة درجة حرارة الحدود للموصل الفائق عن طريق زيادة ثابت التفاعل (U) أو كثافة الحالات عند مستوى Fermi n (EF). في الجرافين والجرافيت ، تكون كثافة الحالات الإلكترونية على مستوى Fermi منخفضة جدًا. في هذه الحالة ، هناك اعتماد مباشر على مستوى الطاقة. وهنا يمكنك بالفعل تطبيق نظرية المناطق المسطحة. يقول الباحثون إن تغيير قيمة ثابت التفاعل لا يزال صعبًا للغاية ، ولكن يمكن زيادة n (EF) بدقة عن طريق المناطق المسطحة.

يتم وصف المزيد من التفاصيل حول المناطق المسطحة في هذا العمل .

في الدراسة التي ندرسها اليوم ، قرر العلماء تجربة طريقة جديدة "لتسطيح" مناطق الجرافين الإلكترونية وزيادة كثافة الحالات الإلكترونية للأنظمة التي تكون فيها هذه الكثافة منخفضة جدًا.

كان الأساس المادي للدراسة هو الجرافين ثنائي الطبقات على كربيد السيليكون (SiC) ، وهو بالمناسبة مركب من السيليكون والكربون. أصبح تحليل الطيف الكهروضوئي للزاوية (ARPES) طريقة لجمع البيانات.


مخطط تثبيت ARPES.

الآن دعنا نكتشف ما فعله الباحثون؟

نتائج البحث

الصورة رقم 1

تُظهر الصور أعلاه البيانات التي تم جمعها باستخدام ARPES ، وهي البيانات المأخوذة من عينة 6H-SiC مغلفة بـ 1.2 الجرافين أحادي الطبقة (MLG).


6H-SiC هو واحد من أنواع متعددة من كربيد السيليكون (هيكل بترتيب مختلف من تكديس الطبقات ، أي أن العناصر المكونة هي نفسها ، ولكن تختلف الأنواع المختلفة باختلاف).

كان من المتوقع أن يؤدي استخدام طبقة واحدة إلى هيمنة التشتت (Dirac cones) على تشتت ضعيف مكثف من طبقتين. ومع ذلك ، على مستوى طاقة التفاعل من 255 meV (مليتر الكترون-فولت) ، لوحظت منطقة مسطحة واضحة إلى حد ما. في الصور 1 أ و 1 ب و 1 ج ، يشار إلى موضع هذه المنطقة بسهم أبيض.

يرجع وجود 1.2 طبقة أحادية من الجرافين إلى حقيقة أن شدة انبعاث ضوئي BLG أقل بحوالي 4 مرات من مناطق MLG. وعلى النقيض من ذلك ، فإن كثافة منطقة BLG المسطحة ، على العكس ، أعلى 3 مرات من مناطق MLG. يقول العلماء أنه يمكن العثور على مثل هذه الملاحظات في دراسات الأسلاف ، ولكن لم يتم فحصها بمثل هذه التفاصيل من قبل.

كما أن استخدام ARPES جعل من الممكن ملاحظة منطقة مسطحة غير ذات أهمية (سهم أزرق على 1b ) تنشأ عند طاقة تفاعلية تبلغ 150 ميغا فولت وشبكة مشتتة في نطاق الطاقة من 150 ... 160 ميغا فولت.

ثم قرر الباحثون تحليل توزيع كثافة الانبعاث الضوئي. لهذا ، تمت دراسة "خريطة" ثلاثية الأبعاد حول النقطة K من العينة. أظهر التحليل أن نصف فقط الطبقة الأحادية (Dirac cones) ونصف فقط من تشتت الجرافين ثنائي الطبقة مرئي ، والذي يرتبط بالتداخل الضار من شبكتين فرعيتين من الجرافين. يُلاحظ أيضًا أن المنطقة المسطحة موزعة بالتساوي على جانبي النقطة K ، وهو أمر غير معتاد للغاية ، نظرًا لتداخل انبعاث الغرافين الضوئي.

تُظهر الصورة 1 د حالتين لسطح فيرمي مأخوذ من 1 أ بطاقة تفاعلية 235 و 255 ملي فولت. فرق 20 meV صغير جدًا لـ ARPES ، ولكنه كان كافياً لرؤية تغييرات كبيرة في سطح Fermi. عند 235 meV ، نرى تشابه "الهلال" بسبب تعديل الكثافة بسبب تأثير تداخل الانبعاث الضوئي. ولكن عند 255 meV نرى بالفعل "قرص" بدون تعديل.

يوضح الرسم البياني 1e (1f للمنطقة المحيطة بالنقطة K) مدى قوة تداخل الانبعاث الضوئي للمنطقة المسطحة. ويظهر الرسم البياني 1 جرام بالفعل نتائج قياسات التشتت.

نظرية وظيفية الكثافة

لمزيد من التحليل ، تم إجراء الحسابات وفقًا لنظرية الكثافة الوظيفية عبر الجرافين أحادي الطبقة وثنائي الطبقة وثلاث طبقات.


الصورة رقم 2

يوضح الشكل 2 أ مقارنة بين حسابات التشتت للجرافين أحادي الطبقة (أزرق) وثنائي الطبقة (أحمر). تتطابق البيانات المحسوبة والتجريبية على الصورة العامة للاختلافات بين الهياكل أحادية الطبقة والطبقتين ، بالإضافة إلى وجود مستوى عال من كثافة الحالات ( 2 ب ) بشكل مثالي تقريبًا.

ملاحظة مهمة هي أيضًا المنطقة التي تظهر فيها المنطقة المسطحة. كما يمكن رؤيته من الصورة 2 أ ، تنشأ منطقة مستوية ليس فقط في طبقة الجرافين الأعلى في بنية الطبقة الثنائية المدروسة ، ولكن أيضًا في الشبكة الفرعية أيضًا. كما لوحظ تأثير مماثل عند دراسة هيكل الجرافين + ني (111).

دعنا نعود إلى الرسم البياني 2 ب مرة أخرى. نرى عليه شكلين منفردين لكثافة الحالات عند حواف الطبقة ، بينهما فجوة واضحة. وبالتالي ، تتطابق القمم في كثافة الحالات مع تفردات فان هوف.

كما تم إيلاء اهتمام خاص لركيزة SiC ، أو بالأحرى مسألة مدى قوة تأثيرها على حالة الجرافين ثنائي الطبقة أو أحادي الطبقة. توضح الصورتان 2 هـ و 2 و نتائج التحقق. يشير اللون الأصفر إلى السطوح المتساوية حيث توجد عملية لاستلام الشحنة ، والأزرق الفاتح - فقدان الشحنة. هنا نرى أن الشبكات الفرعية لطبقة الجرافين العليا (أ و ب) والشبكة الفرعية لطبقة الجرافين السفلية (أ) لا تتفاعل عمليًا على الإطلاق ، حيث تظهر فقط عدم تناسق ضئيل في الشحنات بسبب التفاعل مع الركيزة SiC. بينما تتأثر الشبكة الفرعية C ، وهي جزء من طبقة الجرافين السفلي ، بشدة بالتفاعل بين الجرافين و SiC. من أجل فهم أفضل لنوع هذه الشبكات الفرعية المعنية ، انتبه إلى الصورة 2 د ، التي تعرض جميع طبقات عينة الاختبار بشكل رسومي. في الشكل الداخلي في الجزء السفلي الأيمن نرى كيف توجد الشبكات الفرعية A و B و C

قام العلماء أيضًا بتحليل تشكيل المناطق المسطحة في أنظمة بترتيب مختلف (على سبيل المثال ، مغناطيسات حديدية). اتضح أن مناطق الطائرة في هذه الأنظمة تُظهر أيضًا عدم استقرار ، وسوف تسود الموصلية الفائقة على المغناطيسية الحديدية إذا كانت منطقة الطائرة قريبة بما فيه الكفاية من مستوى فيرمي. ويقول العلماء إنه يمكن توقع ملاحظات مماثلة على الدراسة الحالية.

نتائج الباحثين

بادئ ذي بدء ، يلاحظ العلماء أنه على الرغم من أن التمدد ثنائي الأبعاد في البنية بالنسبة للنقطة K مسؤول عن المستوى العالي من كثافة البث الضوئي ، إلا أنه ليس السبب الرئيسي لظهور منطقة مسطحة. إذا كان هذا التوسع له وزن كبير في هذه العملية ، خلال التجارب ، ستكون آثار التضيق والتكثيف مرئية في مناطق أخرى من الجرافين ثنائي الطبقة حول النقطة K ، ولكن لم يلاحظ ذلك.

لوحظ اختفاء التداخل في منطقة المنطقة المسطحة (الصورة 1 ج) ، ونتيجة لذلك يتشكل سطح فيرمي على شكل قرص عند طاقة تفاعلية تبلغ 255 meV. هذه ظاهرة فريدة ، خاصة بالنسبة للجرافين. ينشأ التداخل بسبب توطين وظيفة الموجة على شبكات فرعية من الجرافين المختلفة. ولكن في حالة المنطقة المسطحة ، يتم تحديد وظيفة الموجة هذه على شبكة فرعية واحدة فقط ، والتي يختفي بسببها التداخل.

كما لوحظ ظهور شريط مستوٍ ثانٍ بقدرة تفاعلية قدرها 150 meV. ومع ذلك ، في حين أن العلماء لا يستطيعون شرح طبيعة حدوثها بوضوح. من ناحية ، قد يكون هذا بسبب تزامن الكثافة في مناطق مختلفة من طبقات الجرافين. من ناحية أخرى ، قد يكون هذا ناتجًا عن إعادة التنسيق بسبب تأثيرات العديد من الأجسام ، والتي غالبًا ما توجد في الجرافين أحادي الطبقة.

أظهرت الدراسة أن التغيرات الطفيفة في مستوى طاقة التفاعل يمكن أن تؤثر بشكل كبير على حالة سطح فيرمي (عند 235 meV - شكل الهلال و 255 meV - شكل القرص). في هذه الحالة ، يزداد عدد قنوات الانتثار المحتملة بشكل ملحوظ.

من المهم أيضًا ملاحظة أنه لإجراء دراسة تفصيلية للموصلية الفائقة ، من الضروري تقريب مناطق الطائرة من مستوى فيرمي قدر الإمكان. لذا ، يمكن أن تكون إحدى الطرق إدخال عدد كبير من حاملات الشحنة في طبقة الجرافين عن طريق تداخل Ca وترسب K. وهذا يؤدي إلى تشكيل تفرد أحادي الأبعاد لـ Van Hove.

يمكنك التعرف على الدراسة بمزيد من التفصيل باستخدام تقرير الباحثين والمواد الإضافية إليه.

الخاتمة

تمكن العلماء من إثبات أن التلاعب بالمشابك الفرعية والطبقات المتوسطة من هيكل الجرافين متعدد الطبقات يجعل من الممكن التحكم في شكل وخصائص المنطقة المسطحة. ووفقًا للباحثين ، فإن استخدام هذه المهارة جنبًا إلى جنب مع طريقة روابط الإلكترون والفونون المحسنة سيساعد في المستقبل على الحصول على الموصلات الفائقة التي سيتم الحفاظ على خصائصها عند درجات حرارة أعلى بكثير من الآن.

الموصلات الفائقة ذات أهمية كبيرة. بالفعل ، يتم استخدامها في العديد من التقنيات ، من مقاييس التداخل الكمومي فائقة التوصيل إلى الماسحات الضوئية MR. لن تؤدي دراسة المزيد من الموصلات الفائقة وخصائصها وطرق إعدادها وتحسين صفاتها إلى تحسين العالم الحديث فحسب ، بل ستجعلها أيضًا مستقبلية بعض الشيء.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟