Sumodeliuota grafeno laidumo priklausomybė nuo sluoksnių skaičiaus

Šioje naujienoje papasakosime apie naujas žinias, gautas tiriant grafeno laidumą. Mokslininkai iš Šiaurės Karolinos valstijos universiteto (North Carolina State University) atrado vieną iš pirmųjų įrodymų, rodančių, kad jo laidumas staigiai krenta, jei yra nagrinėjamas daugiau nei vienas sluoksnis.

Grafeno struktūra lemia jo pritaikomumą elektronikoje. Mokslininkai jau anksčiau spėjo, kad grafene elektronai turi būti labai judrūs dėl specifinio anglies atomų išsidėstymo medžiagoje. Mobilūs elektronai reiškia, kad medžiaga pasižymi dideliu laidumu ir maža varža. Tačiau koks yra laidumas tikroje medžiagoje ir nuo kokių faktorių jis kinta, kol kas į šį klausimą atsakymo nebuvo. Universiteto mokslininkai, fizikas Marcas Boungiornas-Nadelis (Marco Buongiorno-Nardelli) bei kompiuterių inžinierius Ki Wook Kimas (Ki Wook Kim), nusprendė surasti būdą kaip tirti realų grafeną.

„Jūs galite kalbėti apie nuostabią grafeno struktūrą, tačiau turite suprasti, kad šie elektronai nėra vieni medžiagoje, – paaiškino Boungiornas-Nadelis. – Bet kokioje medžiagoje sutinkamos priemaišos, o visų svarbiausia, medžiagoje atomai virpa. Elektronai susiduria ir sąveikauja su šiais virpesiais, o tai turi įtakos medžiagos laidumui“.

Mokslininkai kartu su dviem studentais sukūrė kompiuterinį modelį, kuris leidžia įvertinti tikrąjį grafeno laidumą vieno ar dviejų sluoksnių formoje. Dvisluoksnė forma reiškia, kad vienas grafeno sluoksnis yra patalpinamas virš kito sluoksnio. Fizikams yra labai svarbu tirti dvisluoksnę formą, nes realiomis sąlygomis veikiantys elektroniniai įrenginiai negali dirbti su vienu medžiagos sluoksniu.

„Negalite pagaminti puslaidininkio tik iš vieno grafito sluoksnio, – pabrėžė Boungiornas-Nadelis. – Norint pagaminti realų įrenginį, medžiaga turi turėti bent jau priemones, kuriomis įrenginys būtų išjungiamas arba įjungiamas. Dvisluoksnė forma suteikia tokią galimybę“.

Naudodami galingus Ouk Ridžo nacionalinės laboratorijos (Oak Ridge National Laboratories) kompiuterius, mokslininkai atliko skaičiavimus ir gavo gerų bei blogų naujienų, susijusių su grafenu. Darbas yra atspausdintas „Physical Review B“ žurnale.

Mokslininkai gavo, kad vieno sluoksnio grafeno elektronų mobilumas, o tuo pačiu ir laidumas, turėtų būti žymiai didesnis, nei kad buvo pradžioje manyta. Tačiau ši gera naujiena buvo atsverta rezultatais, susijusiais su dvisluoksne grafeno forma.

„Mes tikėjomės, kad elektronų laidumas dvisluoksniame grafene turėtų būti mažesnis dėl jų sąveikos su atomų vibracija kiekviename sluoksnyje, – pasakė tyrime dalyvavęs studentas Džefas Mulenas (Jeff Mullen). – Keisčiausia, kad elektronų mobilumas gaunasi visa eile mažesnis nei vieno sluoksnio grafeno lakšte“.

Nors mobilumo sumažėjimas yra labai ryškus, bet netgi toks mobilumas yra didesnis už daugelio įprastų puslaidininkių. Dabar spėliojama ar nebūtų galima kokiomis nors priemonėmis sukompensuoti mobilumo praradimą. Mokslininkai sutelkė dėmesį šios problemos sprendimo paieškoms.

„Jei mes padėsime grafeną ant pagrindo, kuris gali sugerti dalį šilumos, sukurtos elektronų srovės, tai kristalo vibracija sumažės ir elektronų mobilumas padidės. Tai mūsų kitas tyrimų žingsnis – atliekame skaičiavimus su grafenu ir medžiaga, pasižyminčia tokiomis savybėmis“, – paaiškino savo tolimesnį darbą Boungiornas-Nadelis.