Двухслойный графен - Bilayer graphene

Двухслойный графен это материал, состоящий из двух слоев графен. Одно из первых сообщений о двухслойном графене было в плодотворном 2004 г. Наука бумага Гейм и коллеги,[1] в котором они описали устройства, «содержащие только один, два или три атомных слоя»

Структура

Двухслойный графен может существовать в форме AB или Bernal-stacked,[2] где половина атомов лежит непосредственно над центром шестиугольника в нижнем листе графена, а половина атомов лежит над атомом или, реже, в форме AA, в которой слои точно выровнены.[3] В графене, сложенном по Берналу, границы двойников обычны; переход от АБ к штабелированию БА.[4] Скрученные слои, в которых один слой вращается относительно другого, также были тщательно изучены.

Квантовый Монте-Карло Методы 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 стабильна, чем структура с пакетом AA.

Синтез

Двухслойный графен можно получить путем отслаивания от графита. [6] или по химическое осаждение из паровой фазы (CVD).[7] В 2016 г. 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 быть введена, если к двум слоям приложить электрическое поле смещения: так называемый настраиваемый запрещенная зона.[10] Экспериментальная демонстрация настраиваемой запрещенной зоны в двухслойном графене была проведена в 2009 году.[6] В 2015 году исследователи наблюдали одномерные баллистические электронные проводящие каналы на доменных стенках двухслойного графена.[11] Другая группа 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 квантовый эффект холла и показал, что это можно настроить с помощью электрического поля.[13][14][15] В 2017 году сообщалось о наблюдении дробного квантового холловского состояния с четным знаменателем в двухслойном графене.[16]

Экситонная конденсация

Двухслойный графен показал потенциал для реализации Конденсат Бозе – Эйнштейна из экситоны.[17] Электроны и дыры находятся фермионы, но когда они образуют экситон, они становятся бозоны, позволяя осуществить конденсацию Бозе-Эйнштейна. Теоретически показано, что экситонные конденсаты в двухслойных системах несут сверхток.[18]

Сверхпроводимость в скрученном двухслойном графене

Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетский технологический институт и коллеги из Гарвард и Национальный институт материаловедения, Цукуба, Япония, сообщили об открытии сверхпроводимость в двухслойном графене с углом закрутки 1,1 ° между двумя слоями. Об открытии было объявлено в Природа в марте 2018 г.[19] Полученные данные подтвердили прогнозы, сделанные в 2011 г. Аллан Макдональд и Рафи Бистрицер, что количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется под этим углом.[20] Двухслойный графен был изготовлен из расслоенных монослоев графена, при этом второй слой вручную поворачивали на заданный угол по отношению к первому слою. Критическая температура наблюдалось с такими образцами в исходной статье (в более новых работах сообщалось о несколько более высоких температурах). [21]). Харилло-Эрреро предположил, что возможно «... вообразить создание сверхпроводящего транзистора из графена, который вы можете включать и выключать, от сверхпроводящего до изоляционного. Это открывает много возможностей для квантовых устройств ».[22] Изучение таких решеток получило название "твистроникс "и был вдохновлен более ранними теоретическими исследованиями слоистых сборок графена.[23]

Полевые транзисторы

Двухслойный графен может быть использован для построения полевые транзисторы[24][25] или туннельные полевые транзисторы,[26] использование небольшого энергетического разрыва. 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 туннельных полевых транзисторов, 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 туннельные транзисторы (TT). 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 (высокая плотность) сингулярность Ван Хова. 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, в котором диффузия лития происходит быстрее, чем в графите, на порядок.[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 Городской университет Нью-Йорка показали, что листы двухслойный графен на карбиде кремния временно становится тверже алмаза при ударе кончиком атомно-силовой микроскоп.[29] Это было приписано переходу графит-алмаз, и такое поведение оказалось уникальным для двухслойного графена. Это могло иметь применение в личной броне.

Пористые нанофлейки

Процессы гибридизации изменяют внутренние свойства графена и / или вызывают плохие интерфейсы. В 2014 году был анонсирован общий путь получения графена без суммирования посредством простого, шаблонного, каталитического роста. Полученный материал имеет удельную поверхность 1628 м2 г-1, что составляет электропроводящий и имеет мезопористый структура.[30]

Материал изготовлен на основе мезопористого наночешуйчатого шаблона. На шаблон нанесены слои графена. Атомы углерода накапливаются в мезопорах, образуя выпуклости, которые действуют как разделители, препятствующие наложению друг на друга. Плотность выпуклости составляет примерно 5.8×1014 м−2. Графен нанесен на обе стороны хлопьев.[30]

Во время CVD-синтеза выступы производят собственно неупакованный двухслойный графен после удаления нано-чешуек. Наличие таких выступов на поверхности может ослабить π-π взаимодействия между слоями графена и, таким образом, уменьшить наложение. Двухслойный графен показывает удельную поверхность 1628 кв.м.2/грамм, размер пор от 2 до 7 нм и общий объем пор 2,0 см3/грамм.[30]

Использование двухслойного графена в качестве катодного материала для литий-серная батарея дала обратимые емкости 1034 и 734 мА ч / 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 кулоновская эффективность константы 96 и 98% соответственно.[30]

Была получена электропроводность 438 См / см. Даже после проникновения серы электрическая проводимость 107 См см / л сохранялась. Уникальная пористая структура графена позволила эффективно хранить серу в межслоевом пространстве, что обеспечивает эффективную связь между серой и графеном и предотвращает диффузию полисульфидов в электролит.[30]

Характеристика

Гиперспектральный Глобальный Раман визуализация[31] это точный и быстрый метод пространственной характеристики качества продукции. Колебательные режимы системы характеризуют ее, предоставляя информацию о стехиометрия, сочинение, морфология, стресс и количество слоев. Мониторинг пиков G и D графена (около 1580 и 1360 см−1)[32][33] интенсивность дает прямую информацию о количестве слоев образца.

Было показано, что два слоя графена могут выдерживать значительную деформацию или несоответствие допирования.[34] что в конечном итоге должно привести к их отшелушиванию.

Количественное определение структурных параметров двухслойного графена, таких как шероховатость поверхности, межслойные и межслойные расстояния, порядок наложения и межслойное скручивание, можно получить с помощью 3D электронная дифракция[35]

Рекомендации

  1. ^ Новоселов, К. С .; Гейм, А.К .; Морозов, С. В .; Jiang, D .; Zhang, Y .; Dubonos, S. V .; 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:2004Наука ... 306..666N. Дои:10.1126 / science.1102896. PMID  15499015. S2CID  5729649.
  2. ^ 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. Дои:10.1021 / nl104000b. PMID  21322597.
  3. ^ З Лю; К. Суенага PJF Harris; С. Иидзима (2009). «Открытые и закрытые края графеновых слоев». Phys. Rev. Lett. 102 (1): 015501. Bibcode:2009PhRvL.102a5501L. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.015501. PMID  19257205.
  4. ^ Мин, Лола; Ховден, Роберт; Хуанг, Пиншан; Войчик, Михал; Мюллер, Дэвид А .; Пак, Дживун (2012). «Двойникование и скручивание трех- и двухслойного графена». Нано буквы. 12 (3): 1609–1615. Bibcode:2012НаноЛ..12.1609Б. Дои:10.1021 / nl204547v. PMID  22329410.
  5. ^ 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:2015ПхРвЛ.115к5501М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.115501. PMID  26406840. S2CID  33986700.
  6. ^ а б Y Zhang; Т Тан; C Girit; З Хао; MC Мартин; Зеттл; М.Ф. Кромми; Ю. Р. Шен; Ф Ван (2009). «Прямое наблюдение широко настраиваемой запрещенной зоны в двухслойном графене». Природа. 459 (7248): 820–23. Bibcode:2009Натура.459..820Z. Дои:10.1038 / природа08105. OSTI  974550. PMID  19516337. S2CID  205217165.
  7. ^ 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. Дои:10,1021 / см 4021854.
  8. ^ Ю Хао; и другие. (2016). «Активированный кислородом рост и возможность перестройки запрещенной зоны большого монокристаллического двухслойного графена». Природа Нанотехнологии. 11 (5): 820–23. Bibcode:2016НатНа..11..426H. Дои:10.1038 / nnano.2015.322. PMID  26828845.
  9. ^ В.Л. Нгуен; и другие. (2016). "Монокристаллический двухслойный графен с накоплением в виде пластин в масштабе пластины". Adv. Матер. 28 (37): 8177–8183. Дои:10.1002 / adma.201601760. PMID  27414480.
  10. ^ Мин, Хунки; Саху, Бхагаван; Банерджи, Санджай; Макдональд, А. (2007). "Ab initio теория пропусков, индуцированных затвором в бислоях графена". Физический обзор B. 75 (15): 155115. arXiv:cond-mat / 0612236. Bibcode:2007PhRvB..75o5115M. Дои:10.1103 / PhysRevB.75.155115. S2CID  119443126.
  11. ^ L Ju; и другие. (2015). «Топологический перенос долины на доменных стенках двухслойного графена». Природа. 520 (7549): 650–55. Bibcode:2015Натура.520..650J. Дои:10.1038 / природа14364. PMID  25901686. S2CID  4448055.
  12. ^ Т Охта (2006). «Управление электронной структурой двухслойного графена». Наука. 313 (5789): 951–954. Bibcode:2006Научный ... 313..951O. Дои:10.1126 / наука.1130681. HDL:11858 / 00-001M-0000-0011-03BF-3. PMID  16917057. S2CID  192332.
  13. ^ 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:2014Наука ... 345 ... 55K. Дои:10.1126 / science.1250270. PMID  24994644. S2CID  14223087.
  14. ^ К. Ли; и другие. (2014). «Химический потенциал и квантовый холловский ферромагнетизм в двухслойном графене». Наука. 345 (6192): 58–61. arXiv:1401.0659. Bibcode:2014Научный ... 345 ... 58L. Дои:10.1126 / science.1251003. PMID  24994645. S2CID  206555219.
  15. ^ П. Махер; и другие. (2014). «Перестраиваемые дробные квантовые холловские фазы в двухслойном графене». Наука. 345 (6192): 61–64. arXiv:1403.2112. Bibcode:2014Наука ... 345 ... 61М. Дои:10.1126 / science.1252875. PMID  24994646. S2CID  206556477.
  16. ^ Ли Джи Ай А (2017). «Четный знаменатель дробных квантовых состояний Холла в двухслойном графене». Наука. 358 (6363): 648–652. arXiv:1705.07846. Bibcode:2017Научный ... 358..648L. Дои:10.1126 / science.aao2521. PMID  28982799. S2CID  206662733.
  17. ^ Barlas, Y .; Côté, R .; Lambert, J .; Макдональд, А. Х. (2010). «Аномальная конденсация экситонов в бислоев графена». Письма с физическими проверками. 104 (9): 096802. arXiv:0909.1502. Bibcode:2010PhRvL.104i6802B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.096802. PMID  20367001. S2CID  33249360.
  18. ^ Su, J. J .; Макдональд, А. Х. (2008). «Как сделать поток двухслойного экситонного конденсата». Природа Физика. 4 (10): 799–802. arXiv:0801.3694. Bibcode:2008НатФ ... 4..799С. Дои:10.1038 / nphys1055. S2CID  118573989.
  19. ^ 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. Харилло-Эрреро (2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена под магическим углом». Природа. 556 (7699): 80–84. arXiv:1802.00553. Bibcode:2018Натура 556 ... 80С. Дои:10.1038 / природа26154. PMID  29512654. S2CID  4601086.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  20. ^ Bistritzer, R .; Макдональд, А. Х. (26 июля 2011 г.). «Полосы муара в скрученном двухслойном графене». Труды Национальной академии наук. 108 (30): 12233–12237. Дои:10.1073 / pnas.1108174108. ISSN  0027-8424. ЧВК  3145708. PMID  21730173.
  21. ^ 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. Дои:10.1038 / s41586-019-1695-0. ISSN  0028-0836. PMID  31666722. S2CID  117904421.
  22. ^ «Сверхрешетки графена могут быть использованы для сверхпроводящих транзисторов». Следующее большое будущее. Получено 10 апреля 2018.
  23. ^ 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». Физический обзор B. 95 (7): 075420. Дои:10.1103 / PhysRevB.95.075420. ISSN  2469-9950.
  24. ^ 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. Дои:10.1109 / led.2008.2010629. ISSN  0741-3106. S2CID  9836577.
  25. ^ Швирц, Ф. (2010). «Графеновые транзисторы». Природа Нанотехнологии. 5 (7): 487–496. Bibcode:2010НатНа ... 5..487С. Дои:10.1038 / nnano.2010.89. PMID  20512128.
  26. ^ а б Фиори, Джанлука; Яннакконе, Джузеппе (октябрь 2009 г.). "Туннельный двухслойный графеновый полевой транзистор сверхнизкого напряжения". Письма об электронных устройствах IEEE. 30 (10): 1096–1098. arXiv:0906.1254. Bibcode:2009IEDL ... 30.1096F. Дои:10.1109 / led.2009.2028248. ISSN  0741-3106. S2CID  2733091.
  27. ^ Ирвинг, Майкл (24 мая 2016 г.). «Транзистор на основе графена со сверхнизким энергопотреблением может обеспечить тактовую частоту 100 ГГц». newatlas.com. Получено 2017-04-30.
  28. ^ Кюне, М (2017). «Сверхбыстрая диффузия лития в двухслойном графене». Природа Нанотехнологии. 12 (9): 895–900. arXiv:1701.02399. Bibcode:2017НатНа..12..895K. Дои:10.1038 / nnano.2017.108. PMID  28581509. S2CID  205456201.
  29. ^ Гао, Y (2018). «Сверхтвердая углеродная пленка из эпитаксиального двухслойного графена». Природа Нанотехнологии. 13 (2): 133–138. arXiv:1801.00520. Bibcode:2018НатНа..13..133Г. Дои:10.1038 / s41565-017-0023-9. PMID  29255290. S2CID  24691099.
  30. ^ а б c d е Чжао, MQ; Чжан, Q; Хуанг, JQ; Тиан, GL; Не, JQ; Peng, HJ; Вэй, Ф (2014). «Исследователи разрабатывают двухслойный графен, не имеющий стопки». Nat Commun. Rdmag.com. 5: 3410. Bibcode:2014 НатКо ... 5E3410Z. Дои:10.1038 / ncomms4410. PMID  24583928. Получено 2014-04-05.
  31. ^ Gaufrès, E .; Тан, Н. Й.-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:2014НаФо ... 8 ... 72Г. Дои:10.1038 / НПХОТОН.2013.309.
  32. ^ 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. Дои:10.1016 / j.carbon.2014.12.096. S2CID  96786498.
  33. ^ У, 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:2014 НатКо ... 5.5309 Вт. Дои:10.1038 / ncomms6309. PMID  25382099. S2CID  118661918.
  34. ^ Форестье, Алексис; Балима, Феликс; Bousige, Колин; де Соуза Пиньейру, Гардиния; Фулкранд, Реми; Калбак, Мартин; Сан-Мигель, Альфонсо (28 апреля 2020 г.). «Несоответствие деформации и пьезодопирования между слоями графена». J. Phys. Chem. C. 124 (20): 11193. Дои:10.1021 / acs.jpcc.0c01898.
  35. ^ Sung, S.H .; Schnitzer, N .; Brown, L .; Park, J .; Ховден, Р. (25.06.2019). «Укладка, деформация и скручивание в 2D-материалах, количественно оцененные методом 3D-дифракции электронов». Материалы физического обзора. 3 (6): 064003. arXiv:1905.11354. Bibcode:2019ПХРВМ ... 3ф4003С. Дои:10.1103 / PhysRevMaterials.3.064003. S2CID  166228311.