Исследование транспортных явлений в однослойном и многослойном графенеНИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Исследование транспортных явлений в однослойном и многослойном графене
Результаты этапа: Одной из наиболее актуальных задач в физике графена является изучение условий, при которых изначально безмассовые носители заряда приобретают массу. Таким образом, в материале появляется запрещенная зона и графен становится подходящим материалом для стандартной полупроводниковой электроники. Одним из путей к появлению массы у изначально безмассовых частиц является механизм спонтанного нарушения симметрии за счет сильного электростатического взаимодействия электронов друг с другом. В однослойном графене возможно нарушение симметрии по нескольким каналам, с появлением разного типа упорядочивания (например, при определенных условиях возможно появление антиферромагнитного порядка). Однако, ряд экспериментов и теоретических расчетов показывает, что даже в графене, повешенном в вакууме, где взаимодействие максимально интенсивно, его все-таки не хватает для фазового перехода в полупроводник. Поэтому рассматриваются различные сценарии сдвига этого фазового перехода за счет дополнительных внешних воздействий. Одним из вариантов такого "катализа" является введение в графен адатомов водорода. Они присоединяются к пи-орбиталям атомов углерода, там самым блокируя их для перескоков с соседних узлов решетки. Приближенно, такие адатомы можно рассматривать как вакансии в кристаллической решетке. В рамках темы Института по изучению транспортных свойств графена было изучено влияние адатомов водорода на транспортные свойства однослойного графена. Показано, что введение даже малого количества адатомов приводит к появлению антиферромагнитного упорядочивания и открытию массовой щели. Таким образом даже малый процент водородных адатомов или вакансий приводит к эффективному "катализу" фазового перехода однослойного графена в полупроводниковое состояние. В случае многослойного графене были изучены транспортные свойства двухслойного графена с упорядочиванием слоев типа АА. Без учета электрон-электронного взаимодействия этот материал является металлом. В нашей работе было показано, что электрон-электронное взаимодействие приводит к появлению массовой щели в этом материале при достаточно низкой температуре. Этот фазовый переход также сопровождается появлением антиферромагитного упорядочивания.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Исследование транспортных явлений в однослойном и многослойном графене
Результаты этапа: Из теоретических работ [1] и эксперимента, известно, что при достаточно сильном электрон-электронном взаимодействии графен мог бы превращается в полупроводник. Этого не происходит в реальном материале, потому что взаимодействие недостаточно велико. Оценка на величину критического взаимодействия была дана в [1]. В этой работе было показано, что аккуратный учет экранировки межэлектронного взаимодействия сигма-орбиталями приводит к сдвигу фазового перехода в область нефизических значений диэлектрической проницаемости подложки ε < 1. Возникает вопрос, какие внешние факторы могут выступить катализаторами фазового перехода. Одним из таких факторов могут быть дефекты кристаллической структуры. Они вызывают увеличение плотности электронных состояний вблизи энергии Ферми, тем самым значительно усиливая эффекты взаимодействия. В работе [2] было проведено моделирование графена с вакансиями или водородными адатомами (с точки зрения электронной структуры эти дефекты очень близки) с помощью квантового Монте-Карло. Было показано, что вокруг таких адсорбированных атомов водорода, прикрепленных к атомам углерода, возникают «облака» антиферромагнитно упорядоченных спинов. Эти «облака» фермионного конденсата фактически свидетельствуют о произошедшем спонтанном нарушении симметрии, что приводит к открытию массовой щели 0.7 - 1 эВ. Величина щели была подсчитана как в свободно подвешенном графене, так и в графене на подложке из нитрида бора. Таким образом, продемонстрирован «катализ» фазового перехода и показана принципиальная возможность получения полупроводникового материала при адсорбировании водорода графеном. [1] M. V. Ulybyshev, P. V. Buividovich, M. I. Katsnelson, M. I. Polikarpov, «Monte-Carlo study of the semimetal-insulator phase transition in monolayer graphene with realistic inter-electron interaction potential». Phys. Rev. Lett. 111, 056801 (2013). [2] M. V. Ulybyshev, M. I. Katsnelson, «Magnetism and interaction-induced gap opening in graphene with vacancies or hydrogen adatoms: Quantum Monte Carlo study». Phys. Rev. Lett. 114, 246801 (2015).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".