Двухслойный графен - это материал, состоящий из двух слоев графена . Одно из первых сообщений о двухслойном графене было в основополагающей статье 2004 года в Science Гейма и его коллег [1], в которой они описали устройства, «содержащие только один, два или три атомных слоя».
Состав
Двухслойный графен может существовать в форме AB или Bernal-stacked [2], где половина атомов лежит непосредственно над центром шестиугольника в нижнем графеновом листе, а половина атомов лежит над атомом, или, что реже , в форме AA, в которой слои точно выровнены. [3] В графене, сложенном по Берналу, границы двойников являются обычным явлением; переход от АБ к штабелированию БА. [4] Скрученные слои, в которых один слой вращается относительно другого, также были тщательно изучены.
Методы квантового Монте-Карло были использованы для расчета энергий связи двухслойного графена с AA- и AB-стопкой, которые составляют 11,5 (9) и 17,7 (9) мэВ на атом, соответственно. [5] Это согласуется с наблюдением, что структура с пакетом AB более устойчива, чем структура с пакетом AA.
Синтез
Двухслойный графен может быть получен путем расслоения графита [6] или химическим осаждением из паровой фазы (CVD). [7] В 2016 году Родни С. Руофф и его коллеги показали, что монокристаллический двухслойный графен может быть получен путем химического осаждения из паровой фазы, активированного кислородом. [8] Позже в том же году корейская группа сообщила о синтезе монокристаллического AB-многослойного графена в масштабе пластины [9]
Настраиваемая ширина запрещенной зоны
Подобно однослойному графену, двухслойный графен имеет нулевую запрещенную зону и, таким образом, ведет себя как полуметалл. В 2007 году исследователи предсказали, что запрещенная зона может появиться, если к двум слоям приложить электрическое поле смещения: так называемая настраиваемая запрещенная зона . [10] Экспериментальная демонстрация регулируемой ширины запрещенной зоны в двухслойном графене была проведена в 2009 году. [6] В 2015 году исследователи наблюдали одномерные баллистические электронопроводящие каналы на доменных стенках двухслойного графена. [11] Другая группа ученых показала, что ширину запрещенной зоны двухслойных пленок на карбиде кремния можно контролировать, выборочно регулируя концентрацию носителей. [12]
Эмерджентные сложные состояния
В 2014 году исследователи описали возникновение сложных электронных состояний в двухслойном графене, в частности дробного квантового эффекта Холла, и показали, что они могут регулироваться электрическим полем. [13] [14] [15] В 2017 году было сообщено о наблюдении дробного квантового холловского состояния с четным знаменателем в двухслойном графене. [16]
Экситонная конденсация
Биграфена показал потенциал реализовать конденсат Бозе-Эйнштейна из экситонов . [17] Электроны и дырки являются фермионами , но когда они образуют экситон, они становятся бозонами , позволяя происходить бозе-эйнштейновской конденсации. Теоретически показано, что экситонные конденсаты в двухслойных системах несут сверхтоки . [18]
Сверхпроводимость в скрученном двухслойном графене
Пабло Харилло-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 закрутки 1,1 ° между двумя слоями. 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, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется под этим углом. [20] Двухслойный графен был приготовлен из расслоенных монослоев графена, причем второй слой вручную поворачивали на заданный угол по отношению к первому слою. Критическая температуранаблюдалось с такими образцами в исходной статье (в более новых публикациях сообщалось о несколько более высоких температурах). [21]
Харилло-Эрреро предположил, что можно «... вообразить создание сверхпроводящего транзистора из графена, который вы можете включать и выключать, от сверхпроводящего до изоляционного. Это открывает много возможностей для квантовых устройств ». [22] Исследование таких решеток было названо « твистроникой » и было вдохновлено более ранними теоретическими исследованиями слоистых ансамблей графена. [23]
Полевые транзисторы
Двухслойный графен может быть использован для создания полевых транзисторов [24] [25] или туннельных полевых транзисторов [26], используя малую энергетическую щель. Однако энергетический зазор меньше 250 мэВ и, следовательно, требует использования низкого рабочего напряжения (<250 мВ), которое слишком мало для получения приемлемых характеристик полевого транзистора [24], но очень подходит для работы полевого транзистора. туннельные полевые транзисторы, 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 зоны 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
В 2017 году международная группа исследователей показала, что двухслойный графен может действовать как однофазный смешанный проводник, который демонстрирует диффузию лития на порядок быстрее, чем в графите. [28] В сочетании с быстрой электронной проводимостью графеновых листов 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
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 приписано переходу графит-алмаз, и такое поведение оказалось уникальным для двухслойного графена. Это могло иметь применение в личных доспехах.
Пористые нанофлейки
Процессы гибридизации изменяют внутренние свойства графена и / или вызывают плохие интерфейсы. В 2014 году был объявлен общий путь получения графена без суммирования посредством простого, шаблонного, каталитического роста. Полученный материал имеет удельную поверхность 1628 м2 · г-1, является электропроводным и имеет мезопористую структуру. [30]
Материал изготовлен с использованием мезопористого шаблона из нанофлейки. На шаблон наносятся слои графена. Атомы углерода накапливаются в мезопорах, образуя выпуклости, которые действуют как разделители, препятствующие наложению друг на друга. Плотность выпуклости составляет примерно5,8 × 10 14 м −2 . Графен нанесен на обе стороны хлопьев. [30]
Во время CVD-синтеза выступы образуют двухслойный графен, не имеющий стопки, после удаления нанофлексов. Наличие таких выступов на поверхности может ослабить π-π взаимодействия между слоями графена и, таким образом, уменьшить наложение. Двухслойный графен показывает удельную поверхность1628 м 2 / г , размер пор от 2 до 7 нм и общий объем пор2,0 см 3 / г . [30]
Использование двухслойного графена в качестве катодного материала для литиево-серной батареи дало обратимые емкости 1034 и 734 мАч / г при скорости разряда 5 и 10 ° C соответственно. После 1000 циклов обратимые емкости около 530 и 380 мА ч / г сохранялись при 5 и 10 ° C с константами кулоновской эффективности 96 и 98% соответственно. [30]
Была получена электропроводность 438 См / см. Даже после инфильтрации серы электрическая проводимость 107 См см / л сохранялась. Уникальная пористая структура графена позволила эффективно хранить серу в межслоевом пространстве, что создает эффективную связь между серой и графеном и предотвращает диффузию полисульфидов в электролит . [30]
Характеристика
Гиперспектральная глобальная рамановская визуализация [31] - это точный и быстрый метод пространственной характеристики качества продукции. Колебательные режимы системы характеризуют ее, предоставляя информацию о стехиометрии , составе, морфологии , напряжениях и количестве слоев. Мониторинг интенсивности пиков G и D графена (около 1580 и 1360 см -1 ) [32] [33] дает прямую информацию о количестве слоев образца.
Было показано, что два слоя графена могут противостоять значительной деформации или несоответствию допирования [34], что в конечном итоге должно привести к их расслаиванию.
Количественное определение структурных параметров двухслойного графена, таких как шероховатость поверхности, межслойные и межслойные расстояния, порядок наложения и межслойное скручивание, можно получить с помощью трехмерной дифракции электронов [35]
Рекомендации
- ^ Новоселов, К.С.; Гейм, АК; Морозов С.В.; Jiang, D .; Zhang, Y .; Дубонос, SV; Григорьева И.В. Фирсов, А.А. (2004). «Эффект электрического поля в атомно тонкой углеродной пленке». Наука . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat / 0410550 . Bibcode : 2004Sci ... 306..666N . DOI : 10.1126 / science.1102896 . PMID 15499015 . S2CID 5729649 .
- ^ К Ян; H Peng; И Чжоу; H Li; З Лю (2011). «Формирование двухслойного графена Бернала: послойная эпитаксия посредством химического осаждения из паровой фазы». Nano Lett . 11 (3): 1106–10. Bibcode : 2011NanoL..11.1106Y . DOI : 10.1021 / nl104000b . PMID 21322597 .
- ^ З Лю; К. Суенага PJF Harris; С. Иидзима (2009). «Открытые и закрытые края графеновых слоев». Phys. Rev. Lett . 102 (1): 015501. Bibcode : 2009PhRvL.102a5501L . DOI : 10.1103 / physrevlett.102.015501 . PMID 19257205 .
- ^ Мин, Лола; Ховден, Роберт; Хуанг, Пиншане; Войчик, Михал; Мюллер, Дэвид А .; Пак, Дживун (2012). «Двойникование и скручивание трех- и двухслойного графена». Нано-буквы . 12 (3): 1609–1615. Bibcode : 2012NanoL..12.1609B . DOI : 10.1021 / nl204547v . PMID 22329410 .
- ^ Э. Мостаани, Н.Д. Драммонд, В.И. Фалько (2015). "Расчет энергии связи двухслойного графена квантовым методом Монте-Карло". Phys. Rev. Lett . 115 (11): 115501. arXiv : 1506.08920 . Bibcode : 2015PhRvL.115k5501M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.115.115501 . PMID 26406840 . S2CID 33986700 .
- ^ а б Y Zhang; Т Тан; C Girit; З Хао; MC Мартин; Зеттл; MF Crommie; Ю. Р. Шен; Ф Ван (2009). «Прямое наблюдение широко настраиваемой запрещенной зоны в двухслойном графене». Природа . 459 (7248): 820–23. Bibcode : 2009Natur.459..820Z . DOI : 10,1038 / природа08105 . ОСТИ 974550 . PMID 19516337 . S2CID 205217165 .
- ^ W Liu; и другие. (2014). «Управляемый и быстрый синтез высококачественного многослойного двухслойного графена Бернала большой площади с использованием химического осаждения из газовой фазы». Chem. Матер . 26 (2): 907–15. DOI : 10.1021 / cm4021854 .
- ^ Ю Хао; и другие. (2016). "Активированный кислородом рост и возможность перестройки запрещенной зоны большого монокристаллического двухслойного графена" . Природа Нанотехнологии . 11 (5): 820–23. Bibcode : 2016NatNa..11..426H . DOI : 10.1038 / nnano.2015.322 . PMID 26828845 .
- ^ В.Л. Нгуен; и другие. (2016). "Монокристаллический двухслойный графен с накоплением в виде пластин в масштабе пластины". Adv. Матер . 28 (37): 8177–8183. DOI : 10.1002 / adma.201601760 . PMID 27414480 .
- ^ Мин, Хунки; Саху, Бхагаван; Банерджи, Санджай; Макдональд, А. (2007). "Ab initio теория пропусков, индуцированных затвором в бислоях графена". Physical Review B . 75 (15): 155115. arXiv : cond-mat / 0612236 . Bibcode : 2007PhRvB..75o5115M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.75.155115 . S2CID 119443126 .
- ^ L Ju; и другие. (2015). «Топологический перенос долины на доменных стенках двухслойного графена». Природа . 520 (7549): 650–55. Bibcode : 2015Natur.520..650J . DOI : 10,1038 / природа14364 . PMID 25901686 . S2CID 4448055 .
- ^ Т Охта (2006). «Управление электронной структурой двухслойного графена» . Наука . 313 (5789): 951–954. Bibcode : 2006Sci ... 313..951O . DOI : 10.1126 / science.1130681 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0011-03BF-3 . PMID 16917057 . S2CID 192332 .
- ^ A Kou; и другие. (2014). «Электронно-дырочный асимметричный целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 55–57. arXiv : 1312,7033 . Bibcode : 2014Sci ... 345 ... 55K . DOI : 10.1126 / science.1250270 . PMID 24994644 . S2CID 14223087 .
- ^ К. Ли; и другие. (2014). «Химический потенциал и квантовый холловский ферромагнетизм в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 58–61. arXiv : 1401.0659 . Bibcode : 2014Sci ... 345 ... 58L . DOI : 10.1126 / science.1251003 . PMID 24994645 . S2CID 206555219 .
- ^ П. Махер; и другие. (2014). «Перестраиваемые дробные квантовые холловские фазы в двухслойном графене». Наука . 345 (6192): 61–64. arXiv : 1403.2112 . Bibcode : 2014Sci ... 345 ... 61M . DOI : 10.1126 / science.1252875 . PMID 24994646 . S2CID 206556477 .
- ^ Ли Цзя (2017). «Четный знаменатель дробных квантовых состояний Холла в двухслойном графене». Наука . 358 (6363): 648–652. arXiv : 1705.07846 . Bibcode : 2017Sci ... 358..648L . DOI : 10.1126 / science.aao2521 . PMID 28982799 . S2CID 206662733 .
- ^ Barlas, Y .; Côté, R .; Lambert, J .; Макдональд, AH (2010). «Аномальная конденсация экситонов в бислоев графена». Письма с физическим обзором . 104 (9): 096802. arXiv : 0909.1502 . Bibcode : 2010PhRvL.104i6802B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.104.096802 . PMID 20367001 . S2CID 33249360 .
- ^ Su, JJ; Макдональд, AH (2008). «Как заставить двухслойный экситонный конденсат течь». Физика природы . 4 (10): 799–802. arXiv : 0801.3694 . Bibcode : 2008NatPh ... 4..799S . DOI : 10.1038 / nphys1055 . S2CID 118573989 .
- ^ И Цао , В Фатеми, Демир, С. Фанг, С.Л. Томаркен, Дж.Й. Ло, Дж. Д. Санчес-Ямагиши, К. Ватанабе, Т. Танигучи, Э. Каксирас, Р. К. Ашури, П. Ярилло-Эрреро (2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена с магическим углом». Природа . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Bibcode : 2018Natur.556 ... 80C . DOI : 10.1038 / nature26154 . PMID 29512654 . S2CID 4601086 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Bistritzer, R .; Макдональд, AH (26 июля 2011 г.). «Муаровые полосы в скрученном двухслойном графене» . Труды Национальной академии наук . 108 (30): 12233–12237. DOI : 10.1073 / pnas.1108174108 . ISSN 0027-8424 . PMC 3145708 . PMID 21730173 .
- ^ Лу, Сяобо; Степанов, Петр; Ян, Вэй; Се, Мин; Аамир, Мохаммед Али; Дас, Ипсита; Уржель, Карлес; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Чжан, Гуанъюй; Бахтольд, Адриан; MacDonald, Allan H .; Ефетов, Дмитрий К. (2019). «Сверхпроводники, орбитальные магниты и коррелированные состояния в двухслойном графене под магическим углом». Природа . 574 (7780): 653–657. arXiv : 1903.06513 . Bibcode : 2019Natur.574..653L . DOI : 10.1038 / s41586-019-1695-0 . ISSN 0028-0836 . PMID 31666722 . S2CID 117904421 .
- ^ «Сверхрешетки графена могут быть использованы для сверхпроводящих транзисторов» . Следующее большое будущее . Проверено 10 апреля 2018 года .
- ^ Карр, Стивен; Массат, Даниэль; Фанг, Шианг; Казо, Поль; Лускин, Митчелл; Каксирас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). «Твистроника: манипулирование электронными свойствами двумерных слоистых структур через их угол поворота» . Physical Review B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Bibcode : 2017PhRvB..95g5420C . DOI : 10.1103 / PhysRevB.95.075420 . ISSN 2469-9950 .
- ^ а б Фиори, Джанлука; Яннакконе, Джузеппе (март 2009 г.). "О возможности перестраиваемого двухслойного графенового полевого транзистора". Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (3): 261–264. arXiv : 0810.0128 . Bibcode : 2009IEDL ... 30..261F . DOI : 10.1109 / led.2008.2010629 . ISSN 0741-3106 . S2CID 9836577 .
- ^ Швирц, Ф. (2010). «Графеновые транзисторы». Природа Нанотехнологии . 5 (7): 487–496. Bibcode : 2010NatNa ... 5..487S . DOI : 10.1038 / nnano.2010.89 . PMID 20512128 .
- ^ а б Фиори, Джанлука; Яннакконе, Джузеппе (октябрь 2009 г.). "Двухслойный графеновый туннельный полевой транзистор сверхнизкого напряжения". Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (10): 1096–1098. arXiv : 0906.1254 . Bibcode : 2009IEDL ... 30.1096F . DOI : 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 до 100 ГГц» . newatlas.com . Проверено 30 апреля 2017 .
- ^ Кюне, М (2017). «Сверхбыстрая диффузия лития в двухслойном графене». Природа Нанотехнологии . 12 (9): 895–900. arXiv : 1701.02399 . Bibcode : 2017NatNa..12..895K . DOI : 10.1038 / nnano.2017.108 . PMID 28581509 . S2CID 205456201 .
- ^ Гао, Y (2018). «Сверхтвердая углеродная пленка из эпитаксиального двухслойного графена». Природа Нанотехнологии . 13 (2): 133–138. arXiv : 1801.00520 . Bibcode : 2018NatNa..13..133G . DOI : 10.1038 / s41565-017-0023-9 . PMID 29255290 . S2CID 24691099 .
- ^ а б в г д Чжао, MQ; Чжан, Q; Хуанг, JQ; Тиан, GL; Не, JQ; Peng, HJ; Вэй, Ф (2014). «Исследователи разрабатывают двухслойный графен, не имеющий структуры по своей сути» . Nat Commun . Rdmag.com. 5 : 3410. Bibcode : 2014NatCo ... 5E3410Z . DOI : 10.1038 / ncomms4410 . PMID 24583928 . Проверено 5 апреля 2014 .
- ^ Gaufrès, E .; Тан, штат Нью-Йорк, штат Ва; Lapointe, F .; Cabana, J .; Надон, М.-А .; Cottenye, N .; Raymond, F .; Szkopek, T .; Мартель, Р. (24 ноября 2013 г.). «Гигантское рамановское рассеяние от J-агрегированных красителей внутри углеродных нанотрубок для получения мультиспектральных изображений» . Природа Фотоника . 8 : 72–78. Bibcode : 2014NaPho ... 8 ... 72G . DOI : 10.1038 / NPHOTON.2013.309 .
- ^ Li, Q.-Q .; Чжан, X .; Han, W.-P .; Lu, Y .; Shi, W .; Wu, J.-B .; Тан, П.-Х. (27 декабря 2014 г.). «Рамановская спектроскопия на краях многослойного графена». Углерод . 85 : 221–224. arXiv : 1412.8049 . Bibcode : 2014arXiv1412.8049L . DOI : 10.1016 / j.carbon.2014.12.096 . S2CID 96786498 .
- ^ Ву, Цзян-Бинь; Чжан, Синь; Ияс - марийский; Хан, Вэнь-Пэн; Цяо, Сяо-Фэнь; Ли, Сяо-Ли; Цзян, Де-Шэн; Феррари, Андреа С .; Тан, Пинг-Хэн (10 ноября 2014 г.). «Резонансная рамановская спектроскопия скрученного многослойного графена». Nature Communications . 5 : 5309. arXiv : 1408.6017 . Bibcode : 2014NatCo ... 5.5309W . DOI : 10.1038 / ncomms6309 . PMID 25382099 . S2CID 118661918 .
- ^ Форестье, Алексис; Балима, Феликс; Bousige, Колин; де Соуза Пиньейру, Гардиния; Фулкранд, Реми; Калбак, Мартин; Сан-Мигель, Альфонсо (28 апреля 2020 г.). «Деформация и пьезодопинговое несоответствие между слоями графена» . J. Phys. Chem. C . 124 (20): 11193. DOI : 10.1021 / acs.jpcc.0c01898 .
- ^ Sung, SH; Schnitzer, N .; Brown, L .; Park, J .; Ховден, Р. (25.06.2019). «Укладка, деформация и скручивание в 2D-материалах, количественная оценка с помощью 3D-дифракции электронов». Материалы физического обзора . 3 (6): 064003. arXiv : 1905.11354 . Bibcode : 2019PhRvM ... 3f4003S . DOI : 10.1103 / PhysRevMaterials.3.064003 . S2CID 166228311 .