物理学者は、3層グラフェンの層の順序を制御することを学びました

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ビデオ: 物理学者は「白い」グラフェンから新しい特性を発見 #グラフェン #窒化ホウ素 #ツイスト #超伝導 2022, 12月
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Anonim
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日本の物理学者は、3層グラフェンを選択的に製造する方法を開発しました。これは、層の正確な順序と相互位置を制御するために使用できます。これにより、特に電子バンドの線形構造を放物線構造に変更することにより、グラフェンの電子特性を制御することが可能になります、と科学者はNPGAsiaMaterialsで書いています。

六角形の対称性を持つ結晶の構造は、原則として、最も近い球充填の規則によって決定されます。この規則では、原子が最大の体積を占め、原子間の自由空間が最小になるように積み重ねられます。このようなパッキングは六角形の層のスタックであり、次の各層は前の層に対して変位しています。可能な変位オプションは2つしかないため、このような結晶の異なるタイプの層の最小数は2つ(この場合、タイプAとBの層は単純に交互になります)、最大数は3つです(このような構造は注文できます)。 、たとえば、… ABCABC …、およびレイヤーのランダムな順序で)。

グラフェンも六角形の格子構造を持っているため、これらの規則はすべて、単一の層ではなく複数の層で形成されるグラファイトとグラフェンの両方に当てはまります。特に、3層グラフェンで最初の2つの層がAB構造を持っている場合、3番目の層は2つの可能な空間配向を持つことができます:AまたはC。理論的推定によれば、層のタイプに応じて、3つの2つのタイプ-層グラフェンは異なる電子特性を持つべきですが、これまで、2種類のグラフェンのうちの1つを選択的に取得し、それらの特性を実験的に研究することはできませんでした。

東北大学の高橋隆が率いる日本の物理学者は、層の順序が制御された3層グラフェンを製造する方法を提案しました。これを行うために、研究者は最初に炭化ケイ素基板上に2層グラフェンを成長させ、グラフェンと基板の間に炭素原子からなり、炭化ケイ素構造に結合した別の緩衝層を残しました。層の順序が異なるグラフェンを得る条件は異なります。1つのケースでは、約1500℃の温度のアルゴンの希薄雰囲気でアニーリングを使用し、もう1つのケースでは、1300度の温度の真空中でアニーリングを使用しました。 。 500度の水素で追加処理してアニーリングした後、バッファ層をグラフェン層に置き換えました。

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2種類の層パッキングを備えた3層グラフェンの結晶構造(上)と、理論的に計算された対応するエネルギーバンド構造(下)

得られた三層構造は、電子顕微鏡を使用して著者によって調査され、それらの電子特性は、角度分解光電子分光法(ARPES)を使用して研究された。理論的予測によれば、3層結晶のタイプの1つにおける単層グラフェン(通常のディラックコーンの形でエネルギー図に表示される)の運動量と電子エネルギー特性の間の線形関係は完全に必要です。消えて、他では、それはエネルギーバンドの3つのペアのうちの1つだけのために保存されるべきです…

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2種類の層秩序を持つ3層グラフェンのエネルギーバンドの形状を備えた光電子分光測定データ(右側-ABA、左側-ABC)

実験的測定により、3層グラフェンの2つの異なる修飾が異なる電子特性を持っていることが確認されました。 ABA層の順序の場合、3つのエネルギーバンドが形成され、そのうちの2つはフェルミ準位で収束します(1つは単層グラフェンのように線形で、もう1つは放物線です)が、ABCタイプのグラフェンの場合、3つのバンドペアのうち1つだけがフェルミ準位で接触し、他の2つについては、価電子帯の上限がフェルミ準位より約0.35電子ボルト下のレベルにあります。

研究の著者は、3層グラフェンの電子構造のこのような違いは、互いに対する層の配置によって簡単に制御できるため、2つの多層構造に基づく電子デバイスを作成するための追加の可能性を開くと述べています。 -次元の結晶。

1つ、2つ、または3つの炭素層を含むグラフェンは、バルク結晶とは異なる独自の特性(電子的、熱的、機械的)を持っていることに注意してください。たとえば、2層グラフェンのみを圧縮して、横方向の剛性を高めたダイヤモンドのような構造にすることができます。 4層以上の構造の場合、特性の大部分はグラファイトの特性と変わりません。同じことが他の二次元材料、特に遷移金属ジカルコゲナイドにも典型的です。

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