Mehrschichtiger Graphen-Supraleiter: Untersuchung flacher Zonen

Bei weitem nicht immer, nachdem Wissenschaftler eine Substanz entdeckt haben, verstehen sie sofort alle ihre Eigenschaften. Die Verbesserung von Technologien, einschließlich Methoden, Techniken und Forschungsmethoden, eröffnet Wissenschaftlern, die verstehen möchten, was und wie um uns herum funktioniert, neue Möglichkeiten. Heute werden wir erfahren, wie die Forscher erfahren haben, dass Graphen durchaus die Eigenschaften eines Supraleiters haben kann. Die Supraleitung wurde seit Beginn des letzten Jahrhunderts untersucht, und bisher sind den Wissenschaftlern nicht alle Aspekte dieses physikalischen Phänomens bekannt. Wie genau ist es dem Forschungsteam gelungen, Graphen „neu zu konfigurieren“, welche Ergebnisse zeigten die Experimente und was sollte in Zukunft von der Forschung erwartet werden? Der Bericht der Wissenschaftler wird uns helfen, Antworten auf diese Fragen zu finden. Lass uns gehen.

Studienbasis

Lassen Sie uns zunächst buchstäblich auf den Punkt bringen, was Graphen ist und womit es sozusagen gegessen wird.

Graphen ist zuallererst eine zweidimensionale Struktur, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Mit anderen Worten, es ist eine Monoschicht aus Graphit (der Hauptquelle für Graphen).

Graphen hat einzigartige elektrochemische Eigenschaften, was es zu einem idealen Kandidaten für eine wichtige Rolle in verschiedenen Studien und als mögliche Grundlage für zukünftige Technologien macht.

Unter Laborbedingungen wird Graphen in einer sehr komplexen, zeitaufwendigen und unglaublich genauen Methode erhalten. Auf diese Weise erhalten Sie sozusagen das qualitativ hochwertigste Produkt. Grundlage dieser Methode ist die mechanische Wirkung auf hochorientierten pyrolytischen Graphit.

In dieser Studie wird nicht Monoschichtgraphen ( MLG ), sondern Doppelschicht ( BLG ) verwendet. Da dieses Material eine interessante physikalische Eigenschaft hat - die Bandlücke *, die auftritt, wenn eine Asymmetrie zwischen zwei Graphenschichten gebildet wird.

Die verbotene Zone * ist der Bereich von Energiewerten, den ein Elektron in einem idealen Kristall nicht besitzen kann. 3 Haupttypen von Festkörpern werden nach der Bandlücke (eV - Elektronenvolt) unterteilt: Metalle - keine Bandlücke, Halbleiter - bis zu 3-4 eV und Dielektrika - über 4-5 eV.

Die verbotene Zone von zweischichtigem Graphen wird aufgrund der Van-Hove-Singularität gebildet.

Das Hauptproblem von Supraleitern besteht darin, dass sie ausreichend niedrige Temperaturen haben. Wissenschaftler versuchen, die Grenztemperatur auf Raumtemperatur zu erhöhen. Die Forscher führen als Beispiel C ₆ CaC ₆ an, das die Supraleitung bei 4 K (-269,15 ° C) halten kann, und dies ist, wie Sie wissen, weit von Raumtemperatur entfernt.

Eine mögliche Antwort auf die Frage der Temperatur liegt in der Kombination von zweidimensionalem Graphen mit anderen ähnlichen Materialien. Die Forscher machen uns auf die BCS-Theorie aufmerksam, die die Möglichkeit der Kopplung zwischen Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen beschreibt. Beim Austausch von Photonen in der Nähe der Fermi-Oberfläche beginnen sich die Elektronen gegenseitig anzuziehen. Somit können sich Elektronenpaare bilden, die theoretisch nicht mit einzelnen Elektronen oder einem Gitter interagieren, dh die Paare bewegen sich ohne Energieverlust. Somit kann die Grenztemperatur eines Supraleiters durch Erhöhen der Wechselwirkungskonstante (U) oder der Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau n (EF) erhöht werden. In Graphen und Graphit ist die Dichte elektronischer Zustände auf Fermi-Ebene recht gering. In diesem Fall besteht eine direkte Abhängigkeit vom Energieniveau. Und hier können Sie bereits die Theorie der flachen Zonen anwenden. Das Ändern des Wertes der Wechselwirkungskonstante ist nach Ansicht der Forscher immer noch sehr schwierig, aber n (EF) kann mittels flacher Zonen präzise erhöht werden.

Weitere Details zu flachen Zonen werden in dieser Arbeit beschrieben .

In der Studie, die wir heute untersuchen, haben Wissenschaftler beschlossen, einen neuen Weg zu suchen, um die elektronischen Zonen von Graphen zu „glätten“ und die Dichte elektronischer Zustände von Systemen zu erhöhen, in denen diese Dichte sehr gering ist.

Die Materialbasis der Studie war zweischichtiges Graphen auf Siliciumcarbid (SiC), das übrigens eine Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff ist. Die winkelauflösende Photoelektronenspektroskopie (ARPES) ist zu einer Datenerfassungsmethode geworden.


ARPES-Installationsdiagramm.

Lassen Sie uns nun herausfinden, was die Forscher getan haben.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1

Die obigen Bilder zeigen Daten, die unter Verwendung von ARPES gesammelt wurden, nämlich Daten von einer 6H-SiC-Probe, die mit 1,2-Monoschicht-Graphen (MLG) beschichtet ist.


6H-SiC ist einer der Polytypen von Siliciumcarbid (eine Struktur mit einer unterschiedlichen Reihenfolge der Schichtstapelung, dh die Bestandteile sind gleich, aber verschiedene Typen sind unterschiedlich angeordnet).

Es wurde erwartet, dass die Verwendung einer Monoschicht zur Dominanz der Dispersion (Dirac-Kegel) gegenüber einer schwach intensiven Zweischichtdispersion führt. Bei einer Wechselwirkungsenergie von 255 meV (Millielektronvolt) wird jedoch eine ziemlich ausgeprägte flache Zone beobachtet. In den Bildern 1a , 1b und 1c ist die Position dieser Zone durch einen weißen Pfeil angegeben.

Das Vorhandensein einer 1,2-Monoschicht aus Graphen beruht auf der Tatsache, dass die Intensität der BLG-Photoemission ungefähr viermal niedriger ist als die der MLG-Zonen. Und die Intensität der flachen BLG-Zone ist im Gegensatz dazu dreimal höher als die der MLG-Zonen. Wissenschaftler sagen, dass solche Beobachtungen in Studien von Vorgängern gefunden werden können, aber sie wurden vorher nicht so detailliert untersucht.

Durch die Verwendung von ARPES konnte auch eine unbedeutende flache Zone (blauer Pfeil auf 1b ) festgestellt werden, die bei einer Wechselwirkungsenergie von 150 meV und einem Dispersionsknick im Energiebereich von 150 ... 160 meV auftrat.

Dann beschlossen die Forscher, die Verteilung der Intensität der Photoemission zu analysieren. Dazu wurde eine dreidimensionale „Karte“ um den Punkt K der Probe untersucht. Die Analyse zeigte, dass nur die Hälfte der Monoschicht (Dirac-Kegel) und nur die Hälfte der Dispersion von zweischichtigem Graphen sichtbar sind, was mit einer schädlichen Interferenz durch zwei Graphen-Untergitter verbunden ist. Es ist auch zu sehen, dass die flache Zone auf beiden Seiten des Punktes K gleichmäßig verteilt ist, was angesichts der Interferenz der Graphen-Photoemission äußerst ungewöhnlich ist.

Bild 1d zeigt zwei Zustände der Fermi-Oberfläche, die 1a bei einer Wechselwirkungsenergie von 235 und 255 meV entnommen wurden. Der Unterschied von 20 meV ist für ARPES sehr gering, aber es war ausreichend, signifikante Änderungen in der Fermi-Oberfläche zu sehen. Bei 235 meV sehen wir die Ähnlichkeit eines „Halbmonds“ aufgrund von Intensitätsmodulation aufgrund des Einflusses von Photoemissionsstörungen. Bei 255 meV sehen wir jedoch bereits eine „Scheibe“ ohne Modulation.

Grafik 1e (1f für den Bereich um den Punkt K) zeigt, wie stark die Interferenz der Photoemission der flachen Zone ist. Und die Grafik 1g zeigt bereits die Ergebnisse von Dispersionsmessungen.

Dichtefunktionaltheorie

Zur weiteren Analyse wurden Berechnungen gemäß der Theorie der Dichtefunktion über Monoschicht-, Zweischicht- und Dreischichtgraphen durchgeführt.


Bild Nr. 2

Abbildung 2a zeigt einen Vergleich der Dispersionsberechnungen für Monoschichtgraphen (blau) und Doppelschicht (rot). Die berechneten und experimentellen Daten zum allgemeinen Bild der Unterschiede zwischen der Monoschicht- und der Zweischichtstruktur sowie das Vorhandensein einer hohen Zustandsdichte ( 2b ) stimmen nahezu perfekt überein.

Eine wichtige Beobachtung ist auch die Region, in der die flache Zone erscheint. Wie aus Bild 2a ersichtlich ist, entsteht eine planare Zone nicht nur in der obersten Graphenschicht in der untersuchten Doppelschichtstruktur, sondern auch im Untergitter. Ein ähnlicher Effekt wurde auch bei der Untersuchung der Struktur von Graphen + Ni (111) beobachtet.

Kehren wir noch einmal zu Diagramm 2b zurück. Darauf sehen wir zwei Singularitäten der Zustandsdichte an den Rändern der Schicht, zwischen denen eine Lücke deutlich sichtbar ist. Somit entsprechen die Peaks in der Zustandsdichte Van-Hove-Singularitäten.

Besonderes Augenmerk wurde auch auf das SiC-Substrat gelegt, oder vielmehr auf die Frage, wie stark sein Einfluss auf den Zustand von Doppelschicht- oder Monoschichtgraphen ist. Die Bilder 2e und 2f zeigen die Ergebnisse der Überprüfung. Gelb zeigt Isoflächen an, auf denen eine Ladung empfangen wird, und hellblau - Ladungsverlust. Hier sehen wir, dass die Untergitter der oberen Graphenschicht (A und B) und das Untergitter der unteren Graphenschicht (A) praktisch überhaupt nicht reagieren und nur eine unbedeutende Asymmetrie der Ladungen aufgrund der Wechselwirkung mit dem SiC-Substrat zeigen. Während das Untergitter C, das Teil der unteren Graphenschicht ist, stark von der Wechselwirkung zwischen Graphen und SiC beeinflusst wird. Um besser zu verstehen, um welche Art von Untergittern es sich handelt, achten Sie auf Bild 2d , in dem alle Schichten der Testprobe grafisch dargestellt sind. Im Einschub unten rechts sehen wir, wie sich die Untergitter A, B und C befinden.

Die Wissenschaftler analysierten auch die Bildung flacher Zonen in Systemen mit einer anderen Ordnung (z. B. Ferromagnete). Es stellte sich heraus, dass in solchen Systemen ebene Zonen ebenfalls Instabilität aufweisen und die Supraleitung den Ferromagnetismus überwiegt, wenn die ebene Zone ausreichend nahe am Fermi-Niveau liegt. Ähnliche Beobachtungen können auf die aktuelle Studie projiziert werden, sagen Wissenschaftler.

Ergebnisse der Forscher

Zunächst stellen die Wissenschaftler fest, dass die zweidimensionale Ausdehnung der Struktur in Bezug auf Punkt K zwar für die hohe Intensität der Photoemission verantwortlich ist, jedoch nicht die Hauptursache für das Auftreten einer flachen Zone ist. Wenn diese Expansion in diesem Prozess ein signifikantes Gewicht hätte, wären während der Experimente die Auswirkungen der Verengung und Verstärkung der Intensität in anderen Zonen von Doppelschichtgraphen um Punkt K sichtbar, dies wurde jedoch nicht beobachtet.

Das Verschwinden der Interferenz im Bereich der flachen Zone wird beobachtet (Bild 1c), wodurch eine scheibenförmige Fermi-Oberfläche bei einer Wechselwirkungsenergie von 255 meV gebildet wird. Dies ist ein einzigartiges Phänomen, insbesondere für Graphen. Die Interferenz entsteht durch die Lokalisierung der Wellenfunktion auf verschiedenen Graphen-Untergittern. Im Fall einer flachen Zone ist diese Wellenfunktion jedoch nur auf einem Untergitter lokalisiert, wodurch die Interferenz verschwindet.

Das Auftreten einer zweiten planaren Bande bei einer Wechselwirkungsenergie von 150 meV wurde ebenfalls beobachtet. Zwar können Wissenschaftler die Art ihres Auftretens nicht klar erklären. Dies kann zum einen auf das Zusammentreffen der Intensität in verschiedenen Regionen der Graphenschichten zurückzuführen sein. Andererseits kann dies das Ergebnis einer Renormierung aufgrund der Auswirkungen vieler Körper sein, die häufig in Monoschichtgraphen zu finden sind.

Die Studie zeigte, dass unbedeutende Änderungen des Niveaus der Wechselwirkungsenergie den Zustand der Fermi-Oberfläche signifikant beeinflussen können (bei 235 meV - der Form des Halbmonds und bei 255 meV - der Form der Scheibe). In diesem Fall nimmt die Anzahl möglicher Streukanäle erheblich zu.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass es für eine detaillierte Untersuchung der Supraleitung notwendig ist, ebene Zonen so nahe wie möglich an das Fermi-Niveau heranzuführen. Eine der Methoden kann also die Einführung einer großen Anzahl von Ladungsträgern in die Graphenschicht durch Interkalation von Ca und Abscheidung von K sein. Dies führt zur Bildung einer eindimensionalen Van-Hove-Singularität.

Sie können sich anhand des Berichts der Forscher und zusätzlicher Materialien detaillierter mit der Studie vertraut machen.

Nachwort

Wissenschaftler konnten nachweisen, dass Manipulationen mit Untergittern und Zwischenschichten der Struktur von mehrschichtigem Graphen es ermöglichen, die Form und Eigenschaften einer flachen Zone zu steuern. Laut den Forschern wird die Verwendung dieser Fähigkeit in Verbindung mit der Methode der verstärkten Elektron-Phonon-Bindungen in Zukunft dazu beitragen, Supraleiter zu erhalten, deren Eigenschaften bei deutlich höheren Temperaturen als jetzt erhalten bleiben.

Supraleiter sind von großer Bedeutung. Sie werden bereits in vielen Technologien eingesetzt, von supraleitenden Quanteninterferometern bis hin zu MR-Scannern. Weitere Untersuchungen von Supraleitern, ihren Eigenschaften, Methoden zu ihrer Herstellung und Verbesserung ihrer Eigenschaften werden die moderne Welt nicht nur verbessern, sondern auch ein wenig futuristisch machen.

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