Последние десятилетия аллотропные модификации углерода все чаще привлекают исследователей в области наноматериалов и наноэлектроники. Первоначально физики интенсивно изучали фуллерены, затем ученых заинтересовали углеродные нанотрубки. В настоящее время наиболее пристальное внимание физиков и специалистов в области нанотехнологий приковано к графену.

Монослой графена (красный) растянут между двумя золотыми электродами (желтые) на расстоянии 150 нм над субстратом SiO₂/Si (серый). (Рисунок из Nature, 2009, 462, 196)

Графен представляет собой не только самый тонкий материал в мире, он на порядок прочнее стали, и при комнатной температуре проводит электрический ток лучше любого из известных материалов. Как эти, так и другие необычные свойства графена привлекают к нему интерес физиков и специалистов по нанотехнологии, которые хотят использовать графен для получения механических и электронных устройств нового типа.

Кирилл Болотин (Kirill Bolotin), работающий в Университете Вандербилта отмечает две характерные черты, обуславливающие исключительность графена – это, во-первых, высокая сопротивляемость молекулярной структуры графена возникающим дефектам; во-вторых, электроны, переносящие электрический заряд, в графене перемещаются гораздо быстрее, чем в металлах и сверхпроводниках.

Ранее работая над докторской степенью в лаборатории Филиппа Кима (Philip Kim), Болотин занимался получением сверхвысокочистого графена и изучением электронных свойств этого материала. Исследователям удалось очистить графен до высокой степени и впервые наблюдать проявление графеном необычного электронного эффекта – дробного квантового эффекта Холла.

Этот эффект представляет собой одно из проявлений квантового эффекта Холла, когда при дробных числах заполнения уровней Ландау в двумерном электронном газе на графической зависимости холловского сопротивления от величины магнитной индукции, наблюдаются участки с неизменным поперечным сопротивлением — «плато».

Несмотря на то, что графен представляет собой первое экспериментально полученное вещество с двумерной кристаллической решеткой, физики разрабатывали модели электронных и магнитных явлений, характерных для двумерных газов и твердых веществ задолго до его открытия. В 1998 году Цуи (D.C. Tsui), Штормер (H.L. Stormer) и Лаффлин (R.B. Laughlin) получили Нобелевскую премию по физике за открытие и объяснение природы дробного квантового эффекта Холла.

С момента получения первых образцов графена физики практически безуспешно пытались обнаружить проявление этим материалом дробного квантового эффекта Холла. Исследователи из группы Кима предположили, что прежние неудачи заключались во влиянии поверхности, на которой располагался изучаемый графен. Для того чтобы избавиться от влияния поверхности, исследователи с помощью микролитографии расположили листочки сверхвысокочистого графена над поверхностью полупроводникового чипа, закрепив графен на микроэлектродах из золота. Полученную систему охладили до 6 градусов Кельвина, приложили к системе магнитное поле, после чего графен однозначно продемонстрировал ранее предсказанный теоретически квантовый эффект Холла.

Лучше всего понять наблюдавшийся эффект, представив, что электроны в графене образуют очень тонкий слой «электронной жидкости». При приложении магнитного поля в электронной жидкости образуется некоторое подобие водоворотов. Так как заряд электрона отрицательный, генерированные магнитным полем вихреобразные движения «электронной жидкости» приобретают положительный заряд, абсолютное значение которого составляет 1/3, 1/2 и 2/3 заряда электрона. Такие переносчики положительного заряда притягиваются к проводящим электронам и взаимодействуют с ними, образуя квазичастицы с дробным значением электрического заряда.

Изучение электронных свойств графена важно, так как в отличие от других материалов, применяющихся в электронике, графен остается стабильным и сохраняет проводимость и на молекулярном уроне. Таким образом, когда существующие электронные устройства на основе кремния достигнут фундаментального физического предела миниатюризации, устройства из графена вполне могут заменить кремниевую микроэлектронику.

Источники:

1. Nature, 2009, 462, 196; doi:10.1038/nature08582

2. http://www.chemport.ru/datenews.php?news=1917