Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Января 2014 в 16:13, курсовая работа
Хотя для получения двухслойного графена нужно добавить всего лишь один слой графена поверх существующего, свойства получившейся системы не просто повторяют удвоенные свойства однослойного кристалла; это один из случаев, когда «один плюс один — больше, чем два». Двухслойный графен существенно отличается от однослойного, иногда показывая даже более богатые свойства, и полностью заслуживает того, чтобы его называли самостоятельным материалом.
Введение 2
Глава 1. Графен и его свойства 4
1.1 История открытия графена 4
1.2 Возможные применения 6
Глава 2.Двухслойный графен 8
2.1 Структура двухслойного графена 8
2.2 Квантовый эффект Холла в двухслойном графене. 12
2.3 Радиоэлекрический эффект в двухслойном графене 20
Глава . Свойства двухслойного графена. 25
3.1 Оптические свойства. 25
3.3 Настраиваемая ширина запрещенной зоны 27
3.2 Электронные транспортные свойства 29
Заключение 33
Используемая литература 34
Рис. 5 Зависимость плотности тока увлечения от нтенсивности ЭМ волны: ωτ = 10; T = 0,001 эВ; εg = 0,10 эВ.
Рис. 6 Зависимость плотности тока увлечения от интенсивности ЭМ волны: ωτ = 10; T = 0,001 эВ; а – εg = 0,07 эВ; б – εg = 0,03 эВ.
Электронная структура двухслойного графена была зондированна на спектро–скопические измерения без магнитного поля, а также в сильных магнитных полях. Оптическое поглощения для перпендикулярно падающего света описывается динамической проводимостью в электрическом поле, параллельно слоям, как и в симметричном двухслое так и в наличии прослойки асимметрии зазора. Для симметричных двухслойных графенов, это оценивается как:
, (17)
где - это энергией Ферми и мы предположили, что . Пронумеруем четыре полосы в порядке убывания энергии как 1, 2, 3, 4. Первое слагаемое в уравнении (17) представляет поглощение из группы от 2 до 3, второй от 2 до 4 или от 1 до 3, третий от 1 до 4, а четвертый от 3 до 4 или от 1 до 2. Рисунок 7 (а) показывает некоторые примеры расчетной динамической проводимости Re σxx (ω) с несколькими значениями энергии Ферми. Кривая в целом не имеет видные структуры, за исключением ступенчатое увеличение соответствующих переходов от 2 до 4. При увеличении , пик дельты–функции появляется при , соответствующих разрешенных переходов от 3 до 4.
Рис.7 Межзонная часть динамической проводимости двухслойного графена в виде зависимости от частоты ω, в (a) нулевом магнитном поле с несколько различными εF (b) в магнитном поле с εF = 0. Пунктирные линии на (b) показывают, энергии переходов между несколькими уровнями Ландау
В магнитном поле, оптически возбуждённого перпендикулярно падающего света, допускается только между уровнями Ландау с n и n ± 1 для произвольных сочетаний μ = H, L и S = ± 1, так как матричный элемент скорости оператора vx в противном случае исчезает. Рисунок 7 (b) показывает некоторые участки σxx Re (ω) в магнитном поле при εF = 0 и при нулевой температуре. Пунктирные линии, проникающие панели представляют собой энергию переходов между несколькими конкретными уровнями Ландау в виде непрерывной функции B. Каждое положение пика ведет себя подобно линейной функции в слабом поле, но оно переходит в - зависимость, что и соответствует энергии движения из области параболической группы. В малых магнитных полях, пик структура размазывается в отсутствие поля кривой легче в двухслойном чем в однослоном графене, так как расстояние уровня Ландау является более узким в двухслойных за счет конечной массы группы.
Свойства любого проводника или изолятора определяется шириной его запрещенной зоны – энергетической щелью между верхними занятыми и нижними свободными орбиталями вещества. Этот параметр, строго определенный для каждого материала, иллюстрирует возможность переноса электронов и абсорбции фотонов, позволяя предположить какую роль материал может сыграть в таких электронных устройствах, как транзисторы и фотодиоды. Исследователи из Университета Калифорнии, работающие под руководством Фенга Ванга (Feng Wang) сообщают, что помещение двух слоев графена между двумя электрооптическими затворами позволяет настраивать ширину запрещенной зоны, просто изменяя величину приложенного напряжения.
Возможность настройки ширины запрещенной зоны в двухслойном графене уже давно была предсказана на теоретическом уровне, что не могло не стимулировать многочисленные попытки получения такой системы с учетом того, что графен рассматривается как перспективный материал для использования в создании гибких электронных и фотонных наноустройств. Тем не менее, неоднократные попытки получения такого устройства не приводили к положительному результату, в результате чего исследователи стали относится скептически к теоретическим предсказаниям такого рода.
Дирк ван дер Марель (Dirk van der Marel), специалист по химии материалов из Университета Женевы высоко оценивает значение работы его калифорнийских коллег, добавляя, что создание систем с возможностью подстройки ширины запрещенной зоны открывает широкие перспективы в создании новых электронных устройств.
Перестраиваемые запрещенные зоны в двухслойном графене впервые наблюдали путём фотоэмиссии с угловым разрешением эпитаксиального двухслойного графена на основе карбида кремния, а способность контролировать разрыв была продемонстрирована путем легирования калия. С тех пор в большинстве экспериментов, зондирования ширины запрещенной зоны, используют один или два устройства выхода на основе отслоения слоёв двухслойного графена. Ширина запрещенной зоны теперь наблюдается в ряде различных опытов, в том числе фотоэмиссии, магнитотранспортных, инфракрасной спектроскопии, электронной сжимаемости, методов сканирующей туннельной спектроскопии, и транспортных.
Щель наблюдаемая оптически до 250 мэВ, это значение теоретически ожидаемо (так как щель должна насыщаться при значении промежуточного слоя связи γ1). Транспортные размеры показывают изолирующий режим, но как правило, небольшое запрещение проводимости ожидаемое для разрыва таких масштабов, что было обусловлено краевыми состояниями, и наличия беспорядка или нарушение хиральных носителей заряда. В общих чертах, транспорт похоже происходит с использованием различных механизмов в различных температурных режимах с тепловой активностью при высоких температурах (примерно от 2 до 50 K) или с переменной длиной промежутка либо ближайших скачков при низких температурах.
Двухслойный графен обладает особыми транспортными свойствами благодаря своей необычной зонной структуры. Транспортные характеристики и характер проводимости вблизи точки Дирака были исследованы экспериментально и теоретически.
Двухслойный графен с прослойкой смещения имеет преимущество над перестраиваемой запрещенной зоной с потенциальным применением в транзисторах, перестраиваемых фотодетекторах и лазерах. Зонная структура в этом случае меняется на:
, (18)
где u это разница между местами энергии узлов в двух слоя, см/с это скорость Ферми (а = 0,246 нм), а знаки минус и плюс соответствуют и соответственно зоны проводимости. Однако эта возможность настройки ширины запрещенной зоны достигается за счет транспортных свойств внутри материала. Когда запрещенная зона открывается, низ нижней проводимости изменит свою форму от гиперболы к так называемой «мексиканской шляпе» и плотность состояний проявит особенность Ван Хоува как показано на рис. 8. Вследствие этого повышение плотности состояний, приводит к сильному квазиупругому взаимодействию электрона с длинноволновым акустическим фононом при низкой энергии электрона. Рисунок 9 предоставляет зависимость подвижности от размера ширины запрещенной зоны. Когда ширина запрещенной зоны 0,24 эВ, подвижность падает до минимального значения см2/Vs даже без каких-либо внешних механизмов рассеяния, что делает его на порядок меньше, чем в случае без наклона. Уменьшение в подвижности становится еще более выраженным, когда учитывается ионизированное рассеяние. Особенности Ван Хоува также увеличивают воздействия электронного взаимодействия с удалённой примесью.
Рис. 8 Плотность состояний в двухслойном графене для различных смещений межслойной с индуцированной энергетической щели.
Рис. 9 Подвижность электронов в зависимости от смещения индуцированной запрещенной зоны в двухслойном графене при 300 К, при разных условиях подложки.
С другой стороны, оказалось, что скорость в сильном поле в основном не зависит от разрыва. На рисунке 10 показана скорость дрейфа для u = 0,1 В, 0,2 В и 0,3 В, что соответствует ширине запрещенной зоны 0,1 эВ, 0,18 эВ и 0,24 эВ, соответственно. Так как скорость насыщения связана с горячими электронами, изменения спектра электронов на дне зоны проводимости практически не имеют влияния на носители заряда, расположенных намного выше в энергиях. Аналогичным образом, влияние поверхности полярного фонона рассеяния на скорость дрейфа, так как считается, в первую очередь через электроны высоких энергий, не влияет на щель в энергетическом спектре электронов. Рисунок 10 демонстрирует данный момент, не оказывая ощутимой разницы, наблюдаемых в поверхностных полярных фононного вклада при трех различных значениях u. Когда ионизированные рассеяния примеси включена, тогда скорость насыщения постепенно продвигается на более сильное поле за счёт снижения подвижности, т.е. наклона.
Рис. 10 Дрейф электронов скорости от электрического поля в двухслойном графене с уклоном индуцированного разрыва в разных условиях подложки.
Электронные транспортные свойства двухслойных графенов изучаются в реальных условиях в присутствии поверхности полярных фононов и заряженных примесей. В целом, двухслойный графен имеет более низкую подвижность и скорость насыщения, чем однослойный графен, из–за сильного рассеяния акустических фононов, слабого оптического рассеяния фононов и нелинейной дисперсии в нижней части зоны проводимости. Также на рисунках показано что поверхность полярных фононов может улучшить скорость насыщения в двухслойном графене путем эффективного рассеивания энергии электронов. Рассеяние на примесях имеет сильный эффект уменьшения скорости дрейфа как в однослойном так и в двухслойном, графенах. Тем не менее, двухслойный графен оказывается более устойчивым к примесным рассеянием, чем однослойный, из-за сильного скрининга и большего эффективного расстояния между электронами и примесями. В двухслойном графене с межслойным смещением, изменения в зонной структуре резко снижают подвижность, особенно в присутствии заряженных примесей. Это может ограничить масштабы возможностей использования двухслойного графена в приложениях устройства.
В данной работе был проведён анализ теоретических сведений по двухслойному графену и его основных физических свойств. В ходе чего было установлено, что благодаря своим свойствам, двухслойный графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Двухслойный графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.
В данной работе мы узнили что двухслойный графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная двумя близко расположенными слоямиграфена. Так как они расположены на расстоянии меньше 1 нм друг от друга, электроны из одного слоя графена могут туннелироватьв другой, что приводит к появлению нового закона дисперсии для носителей тока. Обычно рассматривают двуслойный графен, в котором второй слой повёрнут на 60 градусов относительно первого. Это приводит к тому, что подрешётки A в нижнем графене и подрешётка B в верхнем графене выровнены в вертикальном направлении. Эта конфигурация называется AB stacking и встречается в графите.