Supercondutor de grafeno multicamada: investigação de zonas planas

De longe nem sempre, tendo descoberto uma substância, os cientistas entendem imediatamente todas as suas propriedades. A melhoria das tecnologias, incluindo métodos, técnicas e métodos de pesquisa, abre novas oportunidades para os cientistas que desejam entender o que e como funciona à nossa volta. Hoje conheceremos como os pesquisadores descobriram que o grafeno pode ter as propriedades de um supercondutor. A supercondutividade tem sido estudada desde o início do século passado, e até agora os cientistas não estão cientes de todos os aspectos desse fenômeno físico. Como exatamente a equipe de pesquisa conseguiu "reconfigurar" o grafeno, quais resultados foram mostrados pelos experimentos e o que deveria ser esperado da pesquisa no futuro? O relatório dos cientistas nos ajudará a encontrar respostas para essas perguntas. Vamos lá

Base de estudo

Para começar, literalmente, vamos nos lembrar o que é o grafeno e o que é consumido, por assim dizer.

O grafeno, antes de tudo, é uma estrutura bidimensional que consiste em uma única camada de átomos de carbono. Em outras palavras, é uma monocamada de grafite (a principal fonte de grafeno).

O grafeno possui propriedades eletroquímicas bastante únicas, o que o torna um candidato ideal para um papel importante em vários estudos e como uma base possível para futuras tecnologias.

Em condições de laboratório, o grafeno é obtido de forma muito complexa, demorada e exigindo incrível precisão. Mas, dessa maneira, você pode obter o máximo, por assim dizer, produtos de alta qualidade. A base deste método é o efeito mecânico na grafite pirolítica altamente orientada.

Neste estudo, não é utilizado grafeno de monocamada ( MLG ), mas bicamada ( BLG ). Como esse material possui uma propriedade física interessante - o gap * que ocorre quando a assimetria é formada entre duas camadas de grafeno.

A zona proibida * é a faixa de valores de energia que um elétron não pode possuir em um cristal ideal. Existem três tipos principais de sólidos, de acordo com os indicadores de gap (eV - elétron-volt): metais - sem gap, semicondutores - até 3-4 eV e dielétricos - acima de 4-5 eV.

A zona proibida de grafeno de duas camadas é formada devido à singularidade de van Hove.

O principal problema dos supercondutores é que eles estão a temperaturas suficientemente baixas. Os cientistas estão tentando elevar a temperatura limite para a temperatura ambiente. Os pesquisadores citam C ₆ CaC ₆ como exemplo, capaz de manter a supercondutividade a 4 K (-269,15 ° C), e isso, como você sabe, está longe da temperatura ambiente.

Uma possível resposta para a questão da temperatura está na combinação de grafeno bidimensional com outros materiais semelhantes. Os pesquisadores chamam nossa atenção para a teoria BCS, que descreve a possibilidade de acoplamento entre elétrons com giros opostos e momentos. Na troca de fótons, estando perto da superfície de Fermi, os elétrons começam a se atrair. Assim, podem formar-se pares de elétrons que, em teoria, não interagirão com elétrons únicos ou uma rede, ou seja, os pares se moverão sem perda de energia. Assim, a temperatura limite de um supercondutor pode ser aumentada aumentando a constante de interação (U) ou a densidade de estados no nível de Fermi n (EF). No grafeno e grafite, a densidade dos estados eletrônicos no nível de Fermi é bastante baixa. Nesse caso, há uma dependência direta do nível de energia. E aqui você já pode aplicar a teoria das zonas planas. Mudar o valor da constante de interação ainda é muito difícil, dizem os pesquisadores, mas o n (EF) pode ser aumentado precisamente por meio de zonas planas.

Mais detalhes sobre zonas planas são descritos neste trabalho .

No estudo que estamos estudando hoje, os cientistas decidiram tentar uma nova maneira de “achatar” as zonas eletrônicas de grafeno e aumentar a densidade dos estados eletrônicos dos sistemas nos quais essa densidade é muito baixa.

A base material do estudo foi o grafeno de duas camadas sobre carboneto de silício (SiC), que, a propósito, é um composto de silício e carbono. A espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo (ARPES) tornou-se um método de coleta de dados.


Diagrama de instalação do ARPES.

Agora vamos descobrir o que os pesquisadores fizeram?

Resultados da pesquisa

Imagem Nº 1

As imagens acima mostram dados coletados usando ARPES, ou seja, dados de uma amostra de 6H-SiC revestida com grafeno de 1,2 monocamada (MLG).


6H-SiC é um dos politipos de carboneto de silício (uma estrutura com uma ordem diferente de empilhamento de camadas, ou seja, os elementos constituintes são os mesmos, mas tipos diferentes estão localizados de maneira diferente).

Esperava-se que o uso de uma monocamada levasse ao domínio da dispersão (cones de Dirac) sobre uma dispersão de duas camadas fracamente intensa. No entanto, a um nível de energia de interação de 255 meV (milieletron-volts), é observada uma zona plana bastante pronunciada. Nas imagens 1a , 1b e 1c, a posição desta zona é indicada por uma seta branca.

A presença de 1,2 monocamada de grafeno deve-se ao fato de que a intensidade da fotoemissão BLG é aproximadamente 4 vezes menor que a das zonas MLG. E a intensidade da zona BLG plana, pelo contrário, é 3 vezes maior que a das zonas MLG. Os cientistas dizem que essas observações podem ser encontradas em estudos de antecessores, mas não foram examinadas com tantos detalhes antes.

O uso do ARPES também permitiu notar uma zona plana insignificante (seta azul em 1b ) surgindo com uma energia de interação de 150 meV e uma torção de dispersão na faixa de energia de 150 ... 160 meV.

Em seguida, os pesquisadores decidiram analisar a distribuição da intensidade da fotoemissão. Para isso, um “mapa” tridimensional foi estudado em torno do ponto K da amostra. A análise mostrou que apenas metade da monocamada (cones de Dirac) e apenas metade da dispersão do grafeno de bicamada são visíveis, o que está associado à interferência prejudicial de dois sub-estratos de grafeno. Observa-se também que a zona plana está distribuída igualmente em ambos os lados do ponto K, o que é extremamente incomum, dada a interferência da fotoemissão de grafeno.

A imagem 1d mostra dois estados da superfície de Fermi extraídos de 1a com uma energia de interação de 235 e 255 meV. A diferença de 20 meV é muito pequena para a ARPES, mas foi suficiente para ver mudanças significativas na superfície de Fermi. A 235 meV, vemos a semelhança de um "crescente" devido à modulação da intensidade devido à influência da interferência de fotoemissão. Mas a 255 meV já vemos um "disco" sem modulação.

O gráfico 1e (1f para a região em torno do ponto K) mostra o quão forte é a interferência da fotoemissão da zona plana. E o gráfico 1g já mostra os resultados das medições de dispersão.

Teoria funcional da densidade

Para análises posteriores, os cálculos foram realizados de acordo com a teoria da densidade funcional sobre grafeno de monocamada, duas e três camadas.


Imagem No. 2

A Figura 2a mostra uma comparação dos cálculos de dispersão para grafeno de monocamada (azul) e bicamada (vermelho). Os dados calculados e experimentais no quadro geral das diferenças entre as estruturas de monocamada e de duas camadas, bem como a presença de um alto nível de densidade de estados ( 2b ), coincidem quase perfeitamente.

Uma observação importante também é a região onde a zona plana aparece. Como pode ser visto na imagem 2a , uma zona planar aparece não apenas na camada superior de grafeno na estrutura de duas camadas estudada, mas também no sub-retículo. Um efeito semelhante também foi observado ao estudar a estrutura do grafeno + Ni (111).

Vamos voltar ao gráfico 2b novamente. Nela, vemos duas singularidades da densidade de estados nas bordas da camada, entre as quais uma lacuna é claramente visível. Assim, os picos na densidade dos estados correspondem às singularidades de Van Hove.

Também foi dada atenção especial ao substrato SiC, ou melhor, à questão de quão fortemente sua influência no estado do grafeno de duas camadas ou monocamada. As imagens 2e e 2f mostram os resultados da verificação. Amarelo indica isosuperfícies onde existe um processo de recebimento de carga e azul claro - perda de carga. Aqui, vemos que os sub-estratos da camada superior de grafeno (A e B) e o sub-estrato da camada inferior de grafeno (A) praticamente não reagem, mostrando apenas assimetria insignificante de cargas devido à interação com o substrato SiC. Enquanto o sub-retículo C, que faz parte da camada inferior de grafeno, é fortemente afetado pela interação entre grafeno e SiC. Para entender melhor que tipo de sub-rede está envolvida, preste atenção na imagem 2d , que mostra graficamente todas as camadas da amostra de teste. No encaixe no canto inferior direito, vemos como estão localizados os sub-pontos A, B e C.

Os cientistas também analisaram a formação de zonas planas em sistemas com ordens diferentes (por exemplo, ferromagnetos). Descobriu-se que em tais sistemas as zonas planas também exibem instabilidade e a supercondutividade prevalecerá sobre o ferromagnetismo se a zona plana estiver suficientemente próxima do nível de Fermi. Observações semelhantes podem ser projetadas no estudo atual, dizem os cientistas.

Resultados dos Pesquisadores

Antes de tudo, os cientistas observam que, embora a expansão bidimensional na estrutura em relação ao ponto K seja responsável pelo alto nível de intensidade de fotoemissão, não é a principal causa do aparecimento de uma zona plana. Se essa expansão tivesse peso significativo nesse processo, durante os experimentos os efeitos do estreitamento e amplificação da intensidade seriam visíveis em outras zonas de grafeno de bicamada em torno do ponto K, mas isso não foi observado.

Observa-se o desaparecimento da interferência na região da zona plana (imagem 1c), devido à qual uma superfície Fermi em forma de disco é formada com uma energia de interação de 255 meV. Este é um fenômeno único, especialmente para o grafeno. A interferência ocorre devido à localização da função de onda em diferentes sub-substratos de grafeno. Porém, no caso de uma zona plana, essa função de onda está localizada em apenas um sublácio, devido ao qual a interferência desaparece.

Também foi observado o aparecimento de uma segunda banda plana com uma energia de interação de 150 meV. No entanto, embora os cientistas não possam explicar claramente a natureza de sua ocorrência. Por um lado, isso pode ser devido à coincidência de intensidade em diferentes regiões das camadas de grafeno. Por outro lado, isso pode ser o resultado da renormalização devido aos efeitos de muitos corpos, freqüentemente encontrados no grafeno em monocamada.

O estudo mostrou que mudanças insignificantes no nível de energia de interação podem afetar significativamente o estado da superfície de Fermi (a 235 meV - a forma do crescente e a 255 meV - a forma do disco). Nesse caso, o número de possíveis canais de dispersão aumenta significativamente.

Também é importante observar que, para um estudo detalhado da supercondutividade, é necessário aproximar as zonas planas o mais próximo possível do nível de Fermi. Assim, um dos métodos pode ser a introdução de um grande número de portadores de carga na camada de grafeno pela intercalação de Ca e deposição de K. Isso leva à formação de uma singularidade unidimensional de Van Hove.

Você pode se familiarizar com o estudo com mais detalhes usando o relatório dos pesquisadores e materiais adicionais .

Epílogo

Os cientistas conseguiram provar que as manipulações com subátomos e camadas intermediárias da estrutura do grafeno multicamada permitem controlar a forma e as características de uma zona plana. Segundo os pesquisadores, o uso dessa habilidade em conjunto com o método de ligações elétron-fônon aprimoradas ajudará no futuro a obter supercondutores cujas propriedades serão preservadas a temperaturas significativamente mais altas do que agora.

Supercondutores são de grande importância. Eles já são usados ​​em muitas tecnologias, desde interferômetros quânticos supercondutores a scanners de RM. Um estudo mais aprofundado dos supercondutores, suas propriedades, métodos para sua preparação e aprimoramento de suas qualidades não apenas melhorará o mundo moderno, mas também o tornará um pouco futurista.

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