De loin pas toujours, après avoir découvert une substance, les scientifiques en comprennent immédiatement toutes les propriétés. L'amélioration des technologies, y compris les méthodes, les techniques et les méthodes de recherche, ouvre de nouvelles opportunités pour les scientifiques qui veulent comprendre ce qui et comment fonctionne autour de nous. Aujourd'hui, nous apprendrons comment les chercheurs ont appris que le graphène pourrait bien avoir les propriétés d'un supraconducteur. La supraconductivité est étudiée depuis le début du siècle dernier et, jusqu'à présent, les scientifiques ne connaissent pas tous les aspects de ce phénomène physique. Comment l'équipe de recherche a-t-elle réussi à «reconfigurer» le graphène, quels résultats ont été montrés par les expériences et que devrait-on attendre de la recherche à l'avenir? Le rapport des scientifiques nous aidera à trouver des réponses à ces questions. Allons-y.
Base d'étude
Pour commencer, littéralement en un mot, rappelons-nous ce qu'est le graphène et ce avec quoi il est mangé, pour ainsi dire.
Le graphène, tout d'abord, est une structure bidimensionnelle constituée d'une seule couche d'atomes de carbone. En d'autres termes, il s'agit d'une monocouche de graphite (la principale source de graphène).
Le graphène possède des propriétés électrochimiques tout à fait uniques, ce qui en fait un candidat idéal pour un rôle majeur dans diverses études et comme base possible pour les technologies futures.
En laboratoire, le graphène est obtenu selon une méthode très complexe, longue et nécessitant une précision incroyable. Mais de cette façon, vous pouvez obtenir le plus, pour ainsi dire, un produit de haute qualité. La base de cette méthode est l'effet mécanique sur le graphite pyrolytique hautement orienté.
Dans cette étude, ce n'est pas du graphène monocouche (
MLG ) qui est utilisé, mais du bicouche (
BLG ). Étant donné que ce matériau a une propriété physique intéressante - la bande interdite * qui se produit lorsque l'asymétrie se forme entre deux couches de graphène.
La zone interdite * est la plage de valeurs énergétiques qu'un électron ne peut pas posséder dans un cristal idéal. Il existe 3 principaux types de solides selon les indicateurs de bande interdite (eV - électron-volt): métaux - pas de bande interdite, semi-conducteurs - jusqu'à 3-4 eV et diélectriques - plus de 4-5 eV.
La zone interdite de graphène bicouche est formée en raison de la singularité de van Hove.
Le principal problème des supraconducteurs est qu'ils sont à des températures suffisamment basses. Les scientifiques tentent d'élever la température limite à la température ambiante. Les chercheurs citent C
6 CaC
6 comme exemple, qui est capable de maintenir la supraconductivité à 4 K (-269,15 ° C), et cela, comme vous le savez, est loin de la température ambiante.
Une réponse possible à la question de la température réside dans la combinaison de graphène bidimensionnel avec d'autres matériaux similaires. Les chercheurs attirent notre attention sur la théorie BCS, qui décrit la possibilité de couplage entre des électrons avec des spins et des impulsions opposés. Dans l'échange de photons, étant près de la surface de Fermi, les électrons commencent à s'attirer. Ainsi, des paires d'électrons peuvent se former, qui, en théorie, n'interagiront pas avec des électrons uniques ou un réseau, c'est-à-dire que les paires se déplaceront sans perte d'énergie. Ainsi, la température limite d'un supraconducteur peut être augmentée en augmentant la constante d'interaction (U) ou la densité d'états au niveau de Fermi n (EF). Dans le graphène et le graphite, la densité des états électroniques au niveau de Fermi est assez faible. Dans ce cas, il y a une dépendance directe au niveau d'énergie. Et ici, vous pouvez déjà appliquer la théorie des zones planes. Changer la valeur de la constante d'interaction est toujours très difficile, disent les chercheurs, mais n (EF) peut être augmenté précisément au moyen de zones planes.
Plus de détails sur les zones planes sont décrits dans
cet ouvrage .
Dans l'étude que nous étudions aujourd'hui, les scientifiques ont décidé d'essayer une nouvelle façon «d'aplatir» les zones électroniques du graphène et d'augmenter la densité des états électroniques des systèmes dans lesquels cette densité est très faible.
La base matérielle de l'étude était le graphène à deux couches sur carbure de silicium (SiC), qui, soit dit en passant, est un composé de silicium et de carbone. La spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) est devenue une méthode de collecte de données.
Schéma d'installation ARPES.Voyons maintenant ce que les chercheurs ont fait?
Résultats de recherche
Image n ° 1Les images ci-dessus montrent les données collectées à l'aide d'ARPES, à savoir les données d'un échantillon 6H-SiC recouvert de 1,2 monocouche de graphène (MLG).
Le 6H-SiC est l'un des polytypes de carbure de silicium (une structure avec un ordre d'empilement de couches différent, c'est-à-dire que les éléments constitutifs sont les mêmes, mais différents types sont situés différemment).L'utilisation d'une monocouche devrait entraîner la dominance de la dispersion (cônes de Dirac) sur une dispersion à deux couches faiblement intense. Cependant, à un niveau d'énergie d'interaction de 255 meV (millielectron-volts), une zone plate assez prononcée est observée. Sur les images
1a ,
1b et
1c, la position de cette zone est indiquée par une flèche blanche.
La présence de 1,2 monocouche de graphène est due au fait que l'intensité de la photoémission BLG est environ 4 fois inférieure à celle des zones MLG. Et l'intensité de la zone plate BLG, au contraire, est 3 fois supérieure à celle des zones MLG. Les scientifiques disent que de telles observations peuvent être trouvées dans les études des prédécesseurs, mais elles n'ont pas été examinées de manière aussi détaillée auparavant.
L'utilisation d'ARPES a également permis de remarquer une zone plate insignifiante (flèche bleue sur
1b ) apparaissant à une énergie d'interaction de 150 meV et un pli de dispersion dans la gamme d'énergie de 150 ... 160 meV.
Ensuite, les chercheurs ont décidé d'analyser la distribution de l'intensité de la photoémission. Pour cela, une «carte» tridimensionnelle a été étudiée autour du point K de l'échantillon. L'analyse a montré que seulement la moitié de la monocouche (cônes de Dirac) et seulement la moitié de la dispersion du graphène bicouche sont visibles, ce qui est associé à une interférence nuisible de deux sous-réseaux de graphène. On voit également que la zone plate est uniformément répartie des deux côtés du point K, ce qui est extrêmement inhabituel, compte tenu de l'interférence de la photoémission de graphène.
L'image
1d montre deux états de la surface de Fermi pris à partir de
1a à une énergie d'interaction de 235 et 255 meV. La différence de 20 meV est très faible pour ARPES, mais cela a suffi pour voir des changements significatifs dans la surface de Fermi. À 235 meV, nous voyons la similitude d'un «croissant» dû à la modulation d'intensité due à l'influence des interférences de photoémission. Mais à 255 meV, nous voyons déjà un «disque» sans modulation.
Le graphique
1e (1f pour la région autour du point K) montre la force de l'interférence de photoémission de la zone plate. Et le graphique
1g montre déjà les résultats des mesures de dispersion.
Théorie fonctionnelle de la densité
Pour une analyse plus approfondie, des calculs ont été effectués selon la théorie de la densité fonctionnelle sur du graphène monocouche, bicouche et tricouche.
Image n ° 2La figure
2a montre une comparaison des calculs de dispersion pour le graphène monocouche (bleu) et bicouche (rouge). Les données calculées et expérimentales sur l'image générale des différences entre les structures monocouches et à deux couches, ainsi que la présence d'un niveau élevé de densité d'états (
2b ), coïncident presque parfaitement.
Une observation importante est également la région où la zone plate apparaît. Comme le montre l'image
2a , une zone plane apparaît non seulement dans la couche supérieure de graphène dans la structure bicouche étudiée, mais également dans le sous-réseau. Un effet similaire a également été observé lors de l'étude de la structure du graphène + Ni (111).
Revenons à nouveau au graphique
2b . On y voit deux singularités de la densité des états aux bords de la couche, entre lesquelles un espace est clairement visible. Ainsi, les pics de densité des états correspondent aux singularités de Van Hove.
Une attention particulière a également été portée au substrat en SiC, ou plutôt à la question de savoir dans quelle mesure son influence sur l'état du graphène bicouche ou monocouche. Les images
2e et
2f montrent les résultats de la vérification. Le jaune indique les isosurfaces où il y a un processus de réception d'une charge, et le bleu clair - la perte de charge. Ici, nous voyons que les sous-réseaux de la couche de graphène supérieure (A et B) et le sous-réseau de la couche de graphène inférieure (A) ne réagissent pratiquement pas du tout, ne montrant qu'une asymétrie insignifiante des charges due à l'interaction avec le substrat de SiC. Alors que le sous-réseau C, qui fait partie de la couche inférieure de graphène, est fortement affecté par l'interaction entre le graphène et le SiC. Afin de mieux comprendre le type de tels sous-réseaux impliqués, faites attention à l'image
2d , qui montre graphiquement toutes les couches de l'échantillon de test. Dans l'encart en bas à droite, nous voyons comment les sous-réseaux A, B et C sont situés.
Les scientifiques ont également analysé la formation de zones planes dans des systèmes avec un ordre différent (par exemple, les ferromagnétiques). Il s'est avéré que dans de tels systèmes, les zones planes présentent également une instabilité, et la supraconductivité prévaudra sur le ferromagnétisme si la zone plane est suffisamment proche du niveau de Fermi. Des observations similaires peuvent être projetées sur l'étude actuelle, disent les scientifiques.
Résultats des chercheurs
Tout d'abord, les scientifiques notent que bien que l'expansion bidimensionnelle de la structure par rapport au point K soit responsable du niveau élevé d'intensité de photoémission, elle n'est pas la principale cause de l'apparition d'une zone plate. Si cette expansion avait un poids significatif dans ce processus, au cours des expériences, les effets du rétrécissement et de l'amplification de l'intensité seraient visibles dans d'autres zones de graphène bicouche autour du point K, mais cela n'a pas été observé.
La disparition des interférences dans la région de la zone plate est observée (image 1c), grâce à quoi une surface de Fermi en forme de disque se forme à une énergie d'interaction de 255 meV. Il s'agit d'un phénomène unique, en particulier pour le graphène. L'interférence résulte de la localisation de la fonction d'onde sur différents sous-réseaux de graphène. Mais dans le cas d'une zone plate, cette fonction d'onde est localisée sur un seul sous-réseau, grâce auquel l'interférence disparaît.
L'apparition d'une deuxième bande planaire à une énergie d'interaction de 150 meV a également été observée. Cependant, alors que les scientifiques ne peuvent pas expliquer clairement la nature de son occurrence. D'une part, cela peut être dû à la coïncidence d'intensité dans différentes régions des couches de graphène. En revanche, cela peut être le résultat d'une renormalisation due aux effets de nombreux corps, que l'on retrouve souvent dans le graphène monocouche.
L'étude a montré que des changements insignifiants du niveau d'énergie d'interaction peuvent affecter de manière significative l'état de la surface de Fermi (à 235 meV - la forme du croissant et à 255 meV - la forme du disque). Dans ce cas, le nombre de canaux de diffusion possibles augmente considérablement.
Il est également important de noter que pour une étude détaillée de la supraconductivité, il est nécessaire de rapprocher le plus possible les zones planes du niveau de Fermi. Ainsi, l'une des méthodes peut être l'introduction d'un grand nombre de porteurs de charge dans la couche de graphène par intercalation de Ca et dépôt de K. Cela conduit à la formation d'une singularité unidimensionnelle de Van Hove.
Vous pouvez vous familiariser avec l'étude plus en détail en utilisant le
rapport des chercheurs et
des documents supplémentaires .
Épilogue
Les scientifiques ont pu prouver que les manipulations avec des sous-réseaux et des couches intermédiaires de la structure du graphène multicouche permettent de contrôler la forme et les caractéristiques d'une zone plane. Selon les chercheurs, l'utilisation de cette compétence conjointement avec la méthode des liaisons électron-phonon améliorées aidera à l'avenir à obtenir des supraconducteurs dont les propriétés seront préservées à des températures nettement plus élevées qu'aujourd'hui.
Les supraconducteurs sont d'une grande importance. Déjà, ils sont utilisés dans de nombreuses technologies, des interféromètres quantiques supraconducteurs aux scanners RM. Une étude plus approfondie des supraconducteurs, de leurs propriétés, des méthodes pour leur préparation et de l'amélioration de leurs qualités améliorera non seulement le monde moderne, mais le rendra également un peu futuriste.
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