Двухслойный графен
Двухслойный графен — материал, состоящий из двух слоев графена . Одно из первых сообщений о двухслойном графене было опубликовано в плодотворной научной статье Гейма и его коллег в 2004 году. [1] в котором они описали устройства, «содержащие всего один, два или три атомных слоя».
Структура
[ редактировать ]Двухслойный графен может существовать в форме AB или стопки Бернала . [2] где половина атомов лежит непосредственно над центром шестиугольника в нижнем листе графена, а половина атомов лежит над атомом, или, реже, в форме АА, в которой слои точно выровнены. [3] В многослойном графене Бернала двойниковые границы являются обычным явлением; переход от укладки AB к BA. [4] Скрученные слои, когда один слой повернут относительно другого, также широко изучались.
Квантовые методы Монте-Карло были использованы для расчета энергий связи двухслойного графена, сложенных AA и AB, которые составляют 11,5 (9) и 17,7 (9) мэВ на атом соответственно. [5] Это согласуется с наблюдением, что многослойная структура AB более стабильна, чем многослойная структура AA.
Синтез
[ редактировать ]Двухслойный графен можно получить путем отслаивания графита. [6] или методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). [7] В 2016 году Родни С. Руофф и его коллеги показали, что большой монокристаллический двухслойный графен можно получить путем активируемого кислородом химического осаждения из паровой фазы. [8] Позже в том же году корейская группа сообщила о синтезе монокристаллического двухслойного AB-графена размером с пластину. [9]
Перестраиваемая запрещенная зона
[ редактировать ]Как и однослойный графен, двухслойный графен имеет нулевую запрещенную зону и, следовательно, ведет себя как полуметалл. В 2007 году исследователи предсказали, что запрещенная зона может быть введена, если к двум слоям приложить электрическое поле смещения: так называемая перестраиваемая запрещенная зона . [10] Экспериментальная демонстрация перестраиваемой запрещенной зоны в двухслойном графене состоялась в 2009 году. [6] В 2015 году исследователи наблюдали одномерные каналы проводимости баллистических электронов в доменных стенках двухслойного графена. [11] Другая группа показала, что ширину запрещенной зоны двухслойных пленок на карбиде кремния можно контролировать путем избирательного регулирования концентрации носителей заряда. [12]
Возникающие сложные состояния
[ редактировать ]В 2014 году исследователи описали возникновение сложных электронных состояний в двухслойном графене, в частности дробный квантовый эффект Холла , и показали, что его можно настроить с помощью электрического поля. [13] [14] [15] В 2017 году было сообщено о наблюдении дробного квантового состояния Холла с четным знаменателем в двухслойном графене. [16]
Экситонная конденсация
[ редактировать ]возможность реализации бозе-эйнштейновского конденсата экситонов Двухслойный графен показал . [17] Электроны и дырки являются фермионами , но когда они образуют экситон, они становятся бозонами , позволяя происходить конденсации Бозе-Эйнштейна. Теоретически показано, что экситонные конденсаты в двухслойных системах переносят сверхток . [18]
Сверхпроводимость в скрученном двухслойном графене
[ редактировать ]Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института и его коллеги из Гарварда и Национального института материаловедения, Цукуба, Япония , сообщили об открытии сверхпроводимости в двухслойном графене с углом закручивания между двумя слоями 1,1°. Об открытии было объявлено в журнале Nature в марте 2018 года. [19] Результаты подтвердили предсказания, сделанные в 2011 году Алланом Макдональдом и Рафи Бистрицером, о том, что количество энергии, необходимое свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется под этим углом. [20] Бислой графена был приготовлен из расслоенных монослоев графена, при этом второй слой вручную поворачивался на заданный угол по отношению к первому слою. Критическая температура наблюдалось с такими образцами в исходной статье (в более новых статьях сообщалось о несколько более высоких температурах). [21]
Харильо-Эрреро предположил, что возможно «… представить себе создание сверхпроводящего транзистора из графена, который можно включать и выключать, переходя от сверхпроводящего к изолирующему. Это открывает много возможностей для квантовых устройств». [22] Исследование таких решеток получило название « твистроника » и было вдохновлено более ранними теоретическими исследованиями слоистых ансамблей графена. [23]
Полевые транзисторы
[ редактировать ]Двухслойный графен можно использовать для создания полевых транзисторов [24] [25] или туннельные полевые транзисторы, [26] использование малого энергетического разрыва. Однако энергетическая щель меньше 250 мВ и поэтому требует использования низкого рабочего напряжения (< 250 мВ), которое слишком мало для достижения разумных характеристик полевого транзистора. [24] но очень подходит для работы туннельных полевых транзисторов, которые согласно теории из статьи 2009 года могут работать с рабочим напряжением всего 100 мВ. [26]
В 2016 году исследователи предложили использовать двухслойный графен для увеличения выходного напряжения туннельных транзисторов (ТТ). Они работают в более низком диапазоне рабочих напряжений (150 мВ), чем кремниевые транзисторы (500 мВ). Энергетическая зона двухслойного графена отличается от таковой у большинства полупроводников тем, что электроны по краям образуют сингулярность Ван Хова (высокой плотности) . Это обеспечивает достаточное количество электронов для увеличения тока через энергетический барьер. В двухслойных графеновых транзисторах используется «электрическое», а не «химическое» легирование. [27]
Сверхбыстрая диффузия лития
[ редактировать ]В 2017 году международная группа исследователей показала, что двухслойный графен может действовать как однофазный смешанный проводник, в котором диффузия лития происходит на порядок быстрее, чем в графите. [28] В сочетании с быстрой электронной проводимостью листов графена эта система обеспечивает как ионную, так и электронную проводимость в одном и том же однофазном твердом материале. Это имеет важные последствия для устройств хранения энергии, таких как литий-ионные батареи .
Сверхтвердый углерод из эпитаксиального двухслойного графена
[ редактировать ]Исследователи из Городского университета Нью-Йорка показали, что листы двухслойного графена на карбиде кремния временно становятся тверже алмаза при ударе острием атомно-силового микроскопа . [29] Это было объяснено переходом графит-алмаз, и такое поведение оказалось уникальным для двухслойного графена. Это может найти применение в личной броне.
Пористые нанохлопья
[ редактировать ]Процессы гибридизации изменяют внутренние свойства графена и/или приводят к ухудшению интерфейсов. В 2014 году был объявлен общий путь получения несложенного графена посредством простого шаблонного каталитического роста. Полученный материал имеет удельную поверхность 1628 м2 г-1, является электропроводным и имеет мезопористую структуру. [30]
Материал изготовлен на основе мезопористого наночешуйчатого шаблона. На шаблон наносятся слои графена. Атомы углерода накапливаются в мезопорах, образуя выступы, которые действуют как прокладки, предотвращая накопление. Плотность выступов составляет примерно 5,8 × 10 14 м −2 . Графен нанесен на обе стороны чешуек. [30]
Во время CVD-синтеза после удаления наночешуек выступы образуют несложенный по своей сути двухслойный графен. Наличие таких выступов на поверхности может ослабить π-π-взаимодействия между слоями графена и, таким образом, уменьшить укладку. Двухслойный графен имеет удельную поверхность 1628 м². 2 /г , размер пор от 2 до 7 нм и общий объем пор 2,0 см3. 3 /г . [30]
Использование двухслойного графена в качестве катодного материала для литий-серной батареи позволило получить обратимую емкость 1034 и 734 мА ч/г при скоростях разряда 5 и 10 С соответственно. После 1000 циклов обратимая емкость около 530 и 380 мА ч/г сохранялась при 5 и 10 C, с константами кулоновской эффективности 96 и 98% соответственно. [30]
Была получена электропроводность 438 См/см. Даже после инфильтрации серы сохранялась электропроводность 107 См см/1. Уникальная пористая структура графена позволила эффективно удерживать серу в межслоевом пространстве, что приводит к эффективной связи между серой и графеном и предотвращает диффузию полисульфидов в электролит . [30]
Характеристика
[ редактировать ]Гиперспектральная глобальная рамановская визуализация [31] представляет собой точный и быстрый метод пространственной характеристики качества продукции. Колебательные режимы системы характеризуют ее, предоставляя информацию о стехиометрии , составе, морфологии , напряжении и количестве слоев. Мониторинг пиков G и D графена (около 1580 и 1360 см). −1 ) [32] [33] интенсивность дает прямую информацию о количестве слоев образца.
Было показано, что два слоя графена могут выдерживать значительные деформации или несоответствие легирования. [34] что в конечном итоге должно привести к их шелушению.
Количественное определение структурных параметров двухслойного графена, таких как шероховатость поверхности, меж- и внутрислоевые расстояния, порядок укладки и межслоевое скручивание, можно получить с помощью трехмерной дифракции электронов. [35] [36]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Новоселов К.С.; Гейм, АК; Морозов С.В.; Цзян, Д.; Чжан, Ю.; Дубонос, СВ; Григорьева, ИВ; Фирсов, А.А. (2004). «Эффект электрического поля в атомно тонкой углеродной пленке». Наука . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat/0410550 . Бибкод : 2004Sci...306..666N . дои : 10.1126/science.1102896 . ПМИД 15499015 . S2CID 5729649 .
- ^ К Ян; Х Пэн; Ю Чжоу; Х Ли; З Лю (2011). «Формирование двухслойного графена Бернала: послойная эпитаксия методом химического осаждения из паровой фазы». Нано Летт . 11 (3): 1106–10. Бибкод : 2011NanoL..11.1106Y . дои : 10.1021/nl104000b . ПМИД 21322597 .
- ^ З Лю; К. Суэнага П.Дж.Ф. Харрис; С Иидзима (2009). «Открытые и закрытые края слоев графена». Физ. Преподобный Летт . 102 (1): 015501. Бибкод : 2009PhRvL.102a5501L . doi : 10.1103/physrevlett.102.015501 . ПМИД 19257205 .
- ^ Мин, Лола; Ховден, Роберт; Хуанг, Пиншейн; Войчик, Михал; Мюллер, Дэвид А.; Пак, Джиун (2012). «Двойникование и скручивание трех- и двухслойного графена». Нано-буквы . 12 (3): 1609–1615. Бибкод : 2012NanoL..12.1609B . дои : 10.1021/nl204547v . ПМИД 22329410 .
- ^ Э. Мостаани, Н.Д. Драммонд и В.И. Фалько (2015). «Квантовый расчет энергии связи двухслойного графена методом Монте-Карло». Физ. Преподобный Летт . 115 (11): 115501. arXiv : 1506.08920 . Бибкод : 2015PhRvL.115k5501M . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.115501 . ПМИД 26406840 . S2CID 33986700 .
- ^ Перейти обратно: а б И Чжан; Т Тан; С Гирит; З Хао; МК Мартин; Зеттл; М. Ф. Кромми; Ю. Р. Шен; Ф Ван (2009). «Прямое наблюдение широко перестраиваемой запрещенной зоны в двухслойном графене» . Природа . 459 (7248): 820–23. Бибкод : 2009Natur.459..820Z . дои : 10.1038/nature08105 . ОСТИ 974550 . ПМИД 19516337 . S2CID 205217165 .
- ^ В Лю; и др. (2014). «Управляемый и быстрый синтез высококачественного многослойного двухслойного графена Бернала большой площади с использованием химического осаждения из паровой фазы». хим. Мэтр . 26 (2): 907–15. дои : 10.1021/см4021854 .
- ^ Ю Хао; и др. (2016). «Рост, активируемый кислородом, и возможность настройки запрещенной зоны большого монокристаллического двухслойного графена» (PDF) . Природные нанотехнологии . 11 (5): 820–23. Бибкод : 2016NatNa..11..426H . дои : 10.1038/nnano.2015.322 . ПМИД 26828845 . S2CID 27131160 .
- ^ В.Л. Нгуен; и др. (2016). «Монокристаллический двухслойный AB-слоистый графен в масштабе пластины». Адв. Мэтр . 28 (37): 8177–8183. дои : 10.1002/adma.201601760 . ПМИД 27414480 . S2CID 205270193 .
- ^ Мин, Хонки; Саху, Бхагаван; Банерджи, Санджай; Макдональд, А. (2007). «Ab initio теория зазоров, индуцированных затворами в бислоях графена». Физический обзор B . 75 (15): 155115. arXiv : cond-mat/0612236 . Бибкод : 2007PhRvB..75o5115M . дои : 10.1103/PhysRevB.75.155115 . S2CID 119443126 .
- ^ Л Ю; и др. (2015). «Топологический долинный транспорт на доменных стенках двухслойного графена». Природа . 520 (7549): 650–55. Бибкод : 2015Natur.520..650J . дои : 10.1038/nature14364 . ПМИД 25901686 . S2CID 4448055 .
- ^ Т Охта (2006). «Контроль электронной структуры двухслойного графена» . Наука . 313 (5789): 951–954. Бибкод : 2006Sci...313..951O . дои : 10.1126/science.1130681 . hdl : 11858/00-001M-0000-0011-03BF-3 . ПМИД 16917057 . S2CID 192332 .
- ^ Коу; и др. (2014). «Электронно-дырочный асимметричный целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 55–57. arXiv : 1312.7033 . Бибкод : 2014Наука...345...55К . дои : 10.1126/science.1250270 . ПМИД 24994644 . S2CID 14223087 .
- ^ К. Ли; и др. (2014). «Химический потенциал и квантовый ферромагнетизм Холла в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 58–61. arXiv : 1401.0659 . Бибкод : 2014Sci...345...58L . дои : 10.1126/science.1251003 . ПМИД 24994645 . S2CID 206555219 .
- ^ П. Махер; и др. (2014). «Перестраиваемые дробные квантовые фазы Холла в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 61–64. arXiv : 1403.2112 . Бибкод : 2014Наука...345...61М . дои : 10.1126/science.1252875 . ПМИД 24994646 . S2CID 206556477 .
- ^ Ли Цзя (2017). «Четные квантовые состояния Холла с дробным знаменателем в двухслойном графене». Наука . 358 (6363): 648–652. arXiv : 1705.07846 . Бибкод : 2017Sci...358..648L . дои : 10.1126/science.aao2521 . ПМИД 28982799 . S2CID 206662733 .
- ^ Барлас, Ю.; Коте, Р.; Ламберт, Дж.; Макдональд, АХ (2010). «Аномальная конденсация экситонов в бислоях графена». Письма о физических отзывах . 104 (9): 096802. arXiv : 0909.1502 . Бибкод : 2010PhRvL.104i6802B . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.096802 . ПМИД 20367001 . S2CID 33249360 .
- ^ Су, Джей-Джей; Макдональд, АХ (2008). «Как создать поток двухслойного экситонного конденсата». Физика природы . 4 (10): 799–802. arXiv : 0801.3694 . Бибкод : 2008NatPh...4..799S . дои : 10.1038/nphys1055 . S2CID 118573989 .
- ^ Ю. Цао , В. Фатеми, А. Демир, С. Фанг, С. Л. Томаркен, Дж. Я. Луо, Дж. Д. Санчес-Ямагиши, К. Ватанабе, Т. Танигучи, Э. Каширас, Р. К. Ашури, П. Харильо-Эрреро (2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении графеновых сверхрешеток с магическим углом». Природа . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Бибкод : 2018Natur.556...80C . дои : 10.1038/nature26154 . ПМИД 29512654 . S2CID 4601086 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бистрицер, Р.; Макдональд, АХ (26 июля 2011 г.). «Муаровые полосы в скрученном двухслойном графене» . Труды Национальной академии наук . 108 (30): 12233–12237. arXiv : 1009.4203 . Бибкод : 2011PNAS..10812233B . дои : 10.1073/pnas.1108174108 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3145708 . ПМИД 21730173 .
- ^ Лу, Сяобо; Степанов Петр; Ян, Вэй; Се, Мин; Аамир, Мохаммед Али; Дас, Ипсита; Уржель, Карлес; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Чжан, Гуанъюй; Бахтольд, Адриан; Макдональд, Аллан Х.; Ефетов, Дмитрий К. (2019). «Сверхпроводники, орбитальные магниты и коррелированные состояния в двухслойном графене с магическим углом». Природа . 574 (7780): 653–657. arXiv : 1903.06513 . Бибкод : 2019Natur.574..653L . дои : 10.1038/s41586-019-1695-0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 31666722 . S2CID 117904421 .
- ^ «Сверхрешетки графена можно использовать для изготовления сверхпроводящих транзисторов» . Следующее большое будущее . Проверено 10 апреля 2018 г.
- ^ Карр, Стивен; Массатт, Дэниел; Фанг, Шианг; Казо, Поль; Лускин, Митчелл; Каширас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). «Твистроника: управление электронными свойствами двумерных слоистых структур посредством угла их закручивания» . Физический обзор B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Бибкод : 2017PhRvB..95g5420C . doi : 10.1103/PhysRevB.95.075420 . ISSN 2469-9950 .
- ^ Перейти обратно: а б Фиори, Джанлука; Яннакконе, Джузеппе (март 2009 г.). «О возможности создания двухслойного графенового полевого транзистора с перестраиваемой зазором». Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (3): 261–264. arXiv : 0810.0128 . Бибкод : 2009IEDL...30..261F . дои : 10.1109/led.2008.2010629 . ISSN 0741-3106 . S2CID 9836577 .
- ^ Шверц, Ф. (2010). «Графеновые транзисторы». Природные нанотехнологии . 5 (7): 487–496. Бибкод : 2010НатНа...5..487С . дои : 10.1038/nnano.2010.89 . ПМИД 20512128 .
- ^ Перейти обратно: а б Фиори, Джанлука; Яннакконе, Джузеппе (октябрь 2009 г.). «Сверхнизковольтный двухслойный графеновый туннельный полевой транзистор». Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (10): 1096–1098. arXiv : 0906.1254 . Бибкод : 2009IEDL...30.1096F . дои : 10.1109/led.2009.2028248 . ISSN 0741-3106 . S2CID 2733091 .
- ^ Ирвинг, Майкл (24 мая 2016 г.). «Транзистор на основе графена со сверхнизким энергопотреблением может обеспечить тактовую частоту 100 ГГц» . newatlas.com . Проверено 30 апреля 2017 г.
- ^ Кюне, М (2017). «Сверхбыстрая диффузия лития в двухслойном графене». Природные нанотехнологии . 12 (9): 895–900. arXiv : 1701.02399 . Бибкод : 2017НатНа..12..895К . дои : 10.1038/nnano.2017.108 . ПМИД 28581509 . S2CID 205456201 .
- ^ Гао, Ю (2018). «Сверхтвердая углеродная пленка из эпитаксиального двухслойного графена». Природные нанотехнологии . 13 (2): 133–138. arXiv : 1801.00520 . Бибкод : 2018НатНа..13..133Г . дои : 10.1038/s41565-017-0023-9 . ПМИД 29255290 . S2CID 24691099 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Чжао, MQ; Чжан, Вопрос; Хуанг, JQ; Тиан, Г.Л.; Ни, JQ; Пэн, HJ; Вэй, Ф (2014). «Исследователи разработали несложенный по своей сути двухслойный графен» . Нат Коммун . 5 . Rdmag.com: 3410. Бибкод : 2014NatCo...5.3410Z . дои : 10.1038/ncomms4410 . ПМИД 24583928 . Проверено 5 апреля 2014 г.
- ^ Гофр, Э.; Тан, Нью-Йорк-Ва; Лапуант, Ф.; Кабана, Дж.; Надон, Массачусетс; Коттени, Н.; Раймонд, Ф.; Шкопек, Т.; Мартель, Р. (24 ноября 2013 г.). «Гигантское комбинационное рассеяние от J-агрегированных красителей внутри углеродных нанотрубок для мультиспектральной визуализации» . Природная фотоника . 8 (1): 72–78. Бибкод : 2014NaPho...8...72G . дои : 10.1038/NPHOTON.2013.309 . S2CID 120426939 .
- ^ Ли, Q.-Q.; Чжан, X.; Хан, В.-П.; Лу, Ю.; Ши, В.; Ву, Ж.-Б.; Тан, П.-Х. (27 декабря 2014 г.). «Комбинационная спектроскопия комбинационного рассеяния света на краях многослойного графена». Карбон . 85 : 221–224. arXiv : 1412.8049 . Бибкод : 2014arXiv1412.8049L . doi : 10.1016/j.carbon.2014.12.096 . S2CID 96786498 .
- ^ Ву, Цзян-Бин; Чжан, Синь; Ияс, Мари; Хан, Вэнь-Пэн; Цяо, Сяо-Фэнь; Ли, Сяо-Ли; Цзян, Дэ-Шэн; Феррари, Андреа К.; Тан, Пин-Хенг (10 ноября 2014 г.). «Резонансная рамановская спектроскопия скрученного многослойного графена». Природные коммуникации . 5 : 5309. arXiv : 1408.6017 . Бибкод : 2014NatCo...5.5309W . дои : 10.1038/ncomms6309 . ПМИД 25382099 . S2CID 118661918 .
- ^ Форестье, Алексис; Балима, Феликс; Бузиж, Колин; де Соуза Пиньейру, Гардения; Фулкранд, Реми; Кальбац, Мартин; Сан-Мигель, Альфонсо (28 апреля 2020 г.). «Несоответствие деформации и пьезолегирования между слоями графена» (PDF) . Дж. Физ. хим. С. 124 (20): 11193. doi : 10.1021/acs.jpcc.0c01898 . S2CID 219011027 .
- ^ Сун, Ш.; Шнитцер, Н.; Браун, Л.; Парк, Дж.; Ховден, Р. (25 июня 2019 г.). «Укладка, деформация и скручивание в 2D-материалах, количественно оцененные с помощью 3D-электронной дифракции». Материалы физического обзора . 3 (6): 064003. arXiv : 1905.11354 . Бибкод : 2019PhRvM...3f4003S . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.3.064003 . S2CID 166228311 .
- ^ Сон, Сок Хён; Го, Инь Мин; Ким, Филипп; Ховден, Роберт (19 декабря 2022 г.). «Крученые периодические искажения решетки и дифракция скрученных 2D материалов» . Природные коммуникации . 7826 (1): 7826. arXiv : 2203.06510 . дои : 10.1038/s41467-022-35477-x . ПМЦ 9763474 . ПМИД 36535920 . S2CID 247447730 .