Multilayer Graphene Superconductor: Investigasi Zona Datar

Sejauh ini tidak selalu, setelah menemukan suatu zat, para ilmuwan segera memahami semua sifat-sifatnya. Meningkatkan teknologi, termasuk metode, teknik, dan metode penelitian, membuka peluang baru bagi para ilmuwan yang ingin memahami apa dan bagaimana cara kerja di sekitar kita. Hari ini kita akan mengetahui bagaimana para peneliti mengetahui bahwa graphene mungkin memiliki sifat-sifat superkonduktor. Superkonduktivitas telah dipelajari sejak awal abad terakhir, dan sampai sekarang para ilmuwan tidak mengetahui semua aspek dari fenomena fisik ini. Bagaimana tepatnya tim peneliti mengatur untuk "mengkonfigurasi ulang" graphene, hasil apa yang ditunjukkan oleh percobaan, dan apa yang harus diharapkan dari penelitian di masa depan? Laporan para ilmuwan akan membantu kami menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini. Ayo pergi.

Dasar studi

Untuk memulainya, secara singkat, mari kita ingatkan diri kita sendiri apa itu graphene dan apa yang dimakannya.

Graphene, pertama-tama, adalah struktur dua dimensi yang terdiri dari satu lapisan atom karbon. Dengan kata lain, itu adalah monolayer grafit (sumber utama graphene).

Graphene memiliki sifat elektrokimia yang cukup unik, yang membuatnya menjadi kandidat yang ideal untuk peran utama dalam berbagai penelitian dan sebagai dasar yang memungkinkan untuk teknologi masa depan.

Dalam kondisi laboratorium, graphene diperoleh dalam metode akurasi yang sangat kompleks, memakan waktu dan membutuhkan ketelitian luar biasa. Tetapi dengan cara ini Anda bisa mendapatkan yang terbaik, sehingga bisa dikatakan, produk berkualitas tinggi. Dasar dari metode ini adalah efek mekanis pada grafit pirolitik yang sangat berorientasi.

Dalam penelitian ini, bukan monolayer graphene ( MLG ) yang digunakan, tetapi bilayer ( BLG ). Karena bahan ini memiliki sifat fisik yang menarik - celah pita * yang terjadi ketika asimetri terbentuk antara dua lapisan graphene.

Zona terlarang * adalah kisaran nilai energi yang tidak dapat dimiliki elektron dalam kristal ideal. 3 jenis utama padatan dibagi menurut celah pita (eV - elektron-volt): logam - tanpa celah pita, semikonduktor - hingga 3-4 eV dan dielektrik - lebih dari 4-5 eV.

Zona terlarang graphene bilayer dibentuk karena singularitas van Hove.

Masalah utama superkonduktor adalah mereka berada pada suhu yang cukup rendah. Para ilmuwan berusaha menaikkan suhu batas ke suhu kamar. Para peneliti mengutip C ₆ CaC ₆ sebagai contoh, yang mampu mempertahankan superkonduktivitas pada 4 K (-269,15 ° C), dan ini, seperti yang Anda tahu, jauh dari suhu kamar.

Jawaban yang mungkin untuk pertanyaan suhu terletak pada kombinasi graphene dua dimensi dengan bahan serupa lainnya. Para peneliti menarik perhatian kita pada teori BCS, yang menggambarkan kemungkinan penggandaan antara elektron dengan putaran dan momen yang berlawanan. Dalam pertukaran foton, berada di dekat permukaan Fermi, elektron mulai menarik satu sama lain. Dengan demikian, pasangan elektron dapat terbentuk, yang, secara teori, tidak akan berinteraksi dengan elektron tunggal atau kisi, yaitu pasangan akan bergerak tanpa kehilangan energi. Dengan demikian, suhu batas superkonduktor dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konstanta interaksi (U) atau kepadatan negara pada tingkat Fermi n (EF). Dalam graphene dan graphite, kepadatan negara elektronik di tingkat Fermi cukup rendah. Dalam hal ini, ada ketergantungan langsung pada tingkat energi. Dan di sini Anda sudah bisa menerapkan teori zona datar. Mengubah nilai konstanta interaksi masih sangat sulit, kata para peneliti, tetapi n (EF) dapat ditingkatkan dengan tepat melalui zona datar.

Rincian lebih lanjut tentang zona datar dijelaskan dalam karya ini .

Dalam studi yang kami pelajari hari ini, para ilmuwan memutuskan untuk mencoba cara baru untuk "meratakan" zona elektronik graphene dan meningkatkan kepadatan kondisi elektronik sistem di mana kepadatan ini sangat rendah.

Basis material dari penelitian ini adalah dua lapisan graphene pada silikon karbida (SiC), yang, omong-omong, merupakan senyawa silikon dan karbon. Spectroscopy photoelectron resolusi sudut (ARPES) telah menjadi metode pengumpulan data.


Diagram instalasi ARPES.

Sekarang mari kita cari tahu apa yang dilakukan para peneliti?

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Gambar di atas menunjukkan data yang dikumpulkan menggunakan ARPES, yaitu, data dari sampel 6H-SiC yang dilapisi dengan 1,2 monolayer graphene (MLG).


6H-SiC adalah salah satu politip silikon karbida (struktur dengan susunan lapisan yang berbeda, yaitu unsur-unsur penyusunnya sama, tetapi jenis yang berbeda terletak secara berbeda).

Penggunaan monolayer diharapkan akan mengarah pada dominasi dispersi (kerucut Dirac) atas dispersi dua lapis yang kuat lemah. Namun, pada tingkat energi interaksi 255 meV (milielectron-volts), zona datar yang cukup menonjol diamati. Pada gambar 1a , 1b dan 1c, posisi zona ini ditunjukkan oleh panah putih.

Kehadiran 1,2 monolayer graphene disebabkan oleh fakta bahwa intensitas photoemission BLG kira-kira 4 kali lebih rendah daripada zona MLG. Dan intensitas zona BLG datar, sebaliknya, adalah 3 kali lebih tinggi dari zona MLG. Para ilmuwan mengatakan bahwa pengamatan seperti itu dapat ditemukan dalam studi pendahulu, tetapi mereka belum diperiksa secara rinci sebelumnya.

Menggunakan ARPES juga memungkinkan untuk memperhatikan zona datar yang tidak signifikan (panah biru pada 1b ) yang timbul pada energi interaksi 150 meV dan ketegaran dispersi dalam kisaran energi 150 ... 160 meV.

Kemudian para peneliti memutuskan untuk menganalisis distribusi intensitas fotoemisi. Untuk ini, "peta" tiga dimensi dipelajari di sekitar titik K sampel. Analisis menunjukkan bahwa hanya setengah dari monolayer (kerucut Dirac) dan hanya setengah dari dispersi bilayer graphene yang terlihat, yang terkait dengan gangguan berbahaya dari dua sublattices graphene. Terlihat juga bahwa zona datar terdistribusi secara merata di kedua sisi titik K, yang sangat luar biasa, mengingat adanya gangguan dari photoemission graphene.

Gambar 1d menunjukkan dua keadaan permukaan Fermi yang diambil dari 1a pada energi interaksi 235 dan 255 meV. Perbedaan 20 meV sangat kecil untuk ARPES, tetapi cukup untuk melihat perubahan signifikan pada permukaan Fermi. Pada 235 meV, kita melihat kesamaan "sabit" karena modulasi intensitas karena pengaruh gangguan photoemission. Tetapi pada 255 meV kita sudah melihat "disk" tanpa modulasi.

Grafik 1e (1f untuk wilayah di sekitar titik K) menunjukkan seberapa kuat gangguan photoemission dari zona datar. Dan grafik 1g sudah menunjukkan hasil pengukuran dispersi.

Teori fungsional kepadatan

Untuk analisis lebih lanjut, perhitungan dilakukan sesuai dengan teori fungsional kerapatan di atas monolayer, dua lapisan, dan tiga lapisan graphene.


Gambar No. 2

Gambar 2a menunjukkan perbandingan perhitungan dispersi untuk monolayer graphene (biru) dan bilayer (merah). Data yang dihitung dan eksperimental pada gambaran umum perbedaan antara struktur monolayer dan dua lapis, serta keberadaan tingkat kepadatan tinggi negara ( 2b ), bertepatan hampir sempurna.

Pengamatan penting juga adalah wilayah di mana zona datar muncul. Seperti dapat dilihat dari gambar 2a , zona planar muncul tidak hanya di lapisan graphene paling atas dalam struktur bilayer yang dipelajari, tetapi juga di sublattice juga. Efek serupa juga diamati ketika mempelajari struktur graphene + Ni (111).

Mari kita kembali ke bagan 2b lagi. Di atasnya kita melihat dua singularitas kepadatan negara di tepi lapisan, di mana celah terlihat jelas. Dengan demikian, puncak dalam kepadatan negara sesuai dengan singularitas Van Hove.

Perhatian khusus juga diberikan kepada substrat SiC, atau lebih tepatnya pertanyaan tentang seberapa kuat pengaruhnya terhadap keadaan bilayer atau monolayer graphene. Gambar 2e dan 2f menunjukkan hasil verifikasi. Kuning menunjukkan permukaan isosurfase di mana ada proses penerimaan muatan, dan biru muda - hilangnya muatan. Di sini kita melihat bahwa sublattis dari lapisan graphene atas (A dan B) dan sublattis dari lapisan graphene yang lebih rendah (A) secara praktis tidak bereaksi sama sekali, hanya menunjukkan asimetri muatan yang tidak signifikan karena interaksi dengan substrat SiC. Sedangkan sublattice C, yang merupakan bagian dari lapisan graphene yang lebih rendah, sangat dipengaruhi oleh interaksi antara graphene dan SiC. Untuk memahami dengan lebih baik apa jenis teks yang terlibat, perhatikan gambar 2d , yang secara grafis menunjukkan semua lapisan sampel uji. Pada inset di kanan bawah, kita melihat bagaimana sublattices A, B, dan C berada.

Para ilmuwan juga menganalisis pembentukan zona datar dalam sistem dengan urutan berbeda (misalnya, feromagnet). Ternyata dalam sistem tersebut zona bidang juga menunjukkan ketidakstabilan, dan superkonduktivitas akan menang atas feromagnetisme jika zona bidang cukup dekat dengan tingkat Fermi. Pengamatan serupa dapat diproyeksikan ke studi saat ini, kata para ilmuwan.

Temuan Peneliti

Pertama-tama, para ilmuwan mencatat bahwa meskipun ekspansi dua dimensi dalam struktur relatif terhadap titik K bertanggung jawab atas tingkat intensitas fotoemisi yang tinggi, itu bukan penyebab utama munculnya zona datar. Jika ekspansi ini memiliki bobot yang signifikan dalam proses ini, selama percobaan efek penyempitan dan amplifikasi intensitas akan terlihat di zona lain dari bilayer graphene di sekitar titik K, tetapi ini tidak diamati.

Hilangnya gangguan di wilayah zona datar diamati (gambar 1c), karena permukaan Fermi berbentuk cakram terbentuk pada energi interaksi 255 meV. Ini adalah fenomena unik, terutama untuk graphene. Gangguan muncul karena lokalisasi fungsi gelombang pada sublatteks graphene yang berbeda. Tetapi dalam kasus zona datar, fungsi gelombang ini dilokalisasi hanya pada satu sublattice, yang menyebabkan interferensi menghilang.

Penampilan pita planar kedua pada energi interaksi 150 meV juga diamati. Namun, sementara para ilmuwan tidak dapat dengan jelas menjelaskan sifat kejadiannya. Di satu sisi, ini mungkin disebabkan oleh kebetulan intensitas di berbagai daerah lapisan graphene. Di sisi lain, ini mungkin merupakan hasil dari renormalisasi karena efek dari banyak tubuh, yang sering ditemukan dalam monolayer graphene.

Studi ini menunjukkan bahwa perubahan yang tidak signifikan dalam tingkat energi interaksi dapat secara signifikan mempengaruhi keadaan permukaan Fermi (pada 235 meV - bentuk bulan sabit dan pada 255 meV - bentuk piringan). Dalam hal ini, jumlah saluran hamburan yang mungkin meningkat secara signifikan.

Penting juga untuk dicatat bahwa untuk studi rinci superkonduktivitas, perlu untuk membawa zona pesawat sedekat mungkin ke tingkat Fermi. Jadi, salah satu metode dapat menjadi pengenalan sejumlah besar pembawa muatan ke dalam lapisan graphene dengan interkalasi Ca dan deposisi K. Ini mengarah pada pembentukan singularitas Van Hove satu dimensi.

Anda dapat membiasakan diri dengan studi ini secara lebih rinci menggunakan laporan para peneliti dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Para ilmuwan dapat membuktikan bahwa manipulasi dengan sublattis dan lapisan menengah dari struktur multilayer graphene memungkinkan untuk mengontrol bentuk dan karakteristik zona datar. Menurut para peneliti, penggunaan keterampilan ini dalam hubungannya dengan metode ikatan elektron-phonon yang ditingkatkan akan membantu di masa depan untuk mendapatkan superkonduktor yang propertinya akan dipertahankan pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada sekarang.

Superkonduktor sangat penting. Sudah, mereka digunakan dalam banyak teknologi, dari interferometer kuantum superkonduktor ke pemindai MR. Studi lebih lanjut tentang superkonduktor, sifat-sifat mereka, metode untuk persiapan dan peningkatan kualitas mereka tidak hanya akan meningkatkan dunia modern, tetapi juga membuatnya sedikit futuristik.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?