Шинкура Лариса Михайлівна

Україна, м. Чернівці, Буковинський державний медичний університет

Графен – один із найперспективніших матеріалів наноелектроніки.

Останні десятиріччя алотропні модифікації вуглецю все частіше привертають увагу дослідників в області наноматеріалів і наноелектроніки. Спочатку фізики інтенсивно вивчали фулерени, потім їх зацікавили вуглецеві нанотрубки. У даний час найбільшою увагою фізиків і спеціалістів у галузі нанотехнологій користується графен. Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі графіту. Без опори графен має тенденцію згортатися в нанотрубки, але може бути стійким на підкладинці.

Графен представляє собою не тільки найтонший матеріал у світі, він на порядок міцніший від сталі, і при кімнатній температурі проводить електричний струм краще від будь-якого із відомих матеріалів.

Дві характерні риси, що обумовлюють винятковість графену – це, по-перше, високий опір молекулярної структури графену виникаючим дефектам; по-друге, електрони, що переносять електричний заряд, у графені переміщуються значно швидше, ніж у металах і надпровідниках. [4]

Графен можна представити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найбільш перспективних матеріалів для наноелектроніки.

Можливі сфери використання графена – сонячні батареї, накопичувачі енергії, сотові телефони, супершвидкі комп’ютерні чіпи. Зараз комп’ютерні чіпи виробляють із кремнію, але перспективним матеріалом в цій сфері може бути і графен (не зважаючи на те, що його виробництво є досить дорогим). Нині тривають роботи зі створення плоских екранів (дисплеїв) із холодними катодами, де робочим тілом будуть вуглецеві нанотрубки, які мають високі емісійні властивості при незначних електричних полях. За габаритами й рівнем спожитої потужності такі монітори суттєво перевершуватимуть традиційні високовольтні кінескопи, а за яскравістю і кутом зору — дорогі дисплеї на рідких кристалах. [1]

Дослідникам вдалося отримати надчистий графен високого ступеня і вперше спостерігати прояв графеном незвичайного електронного ефекту – дробного квантового ефекту Холла. [1] Цей ефект представляє собою один із проявів квантового ефекту Холла, коли при дробних числах заповнення рівнів Ландау у двомірному електронному газі на графічній залежності холлівського опору від величини магнітної індукції, спостерігаються ділянки із незмінним поперечним опором – “плато”. Не дивлячись на те, що графен представляє собою першу експериментально отриману речовину із двомірною кристалічною решіткою, фізики розробляли моделі електронних і магнітних явищ, характерні для двомірних газів і твердих речовин задовго до його відкриття. У 1998 році Цуі, Штормер і Лафлін отримали Нобелівську премію по фізиці за відкриття і пояснення природи дробного квантового ефекту Холла. Із моменту отримання перших зразків графену фізики практично безуспішно намагалися виявити прояв цим матеріалом дробного квантового ефекту Холла. [2] Дослідники передбачили, що попередні невдачі полягали у впливі поверхні, на якій знаходився графен. Для того щоб позбутися від впливу поверхні, дослідники за допомогою мікролітографії розташували листочки надчистого графену над поверхнею напівпровідникового чіпу, закріпивши графен на мікроелектродах із золота. [3] Отриману систему охолодили до 6 градусів Кельвіна, приклали до системи магнітне поле, після чого графен однозначно продемонстрував теоретично передбачений квантовий ефект Холла. Краще всього зрозуміти цей ефект, уявивши, що електрони в графені утворюють дуже тонкий шар “електронної рідини”. Під час прикладання магнітного поля в електронній рідині утворюється щось подібне до коловоротів. Оскільки заряд електрона негативний, генеровані магнітним полем рухи “електронної рідини” набувають позитивний заряд, абсолютне значення якого становить 1/3, 1/2 і 2/3 від заряду електрону. Такі переносники позитивного заряду притягуються до електронів і взаємодіють з ними, утворюючи квазічастинки із дробним значенням електричного заряду. [3]

Отже, оскільки з моменту одержання графена не пройшло й п’яти років, його властивості поки вивчені не дуже добре, тому цей матеріал є перспективним. Основним моментом який треба вирішити є знаходження шляхів здешевлення його виробництва.

Література:

[1] - Novoselov K. S. et. al. Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene Science 315, 2007. – 1379 p.

[2] - Abanin D. A., Levitov L. S. Quantized Transport in Graphene p-n Junctions in a Magnetic Field Science 3, 2007. - 641p.

[3] - Williams J. R. et. al. Quantum Hall Effect in a Gate-Controlled p-n Junction of Graphene Science 317, 2007. - 638 p.

[4] - Трефилов В.И. Фуллерены – основа материалов будущего [Текст] /В.И. Трефилов. Киев: Изд-во АДЕФ –Украина, 201. – 148 с.