Графены: первый полупроводник с регулируемой запрещенной зоной

Графены, появившиеся чуть более двух лет назад в результате работ британских и российских ученых, привлекли внимание исследователей многих лабораторий мира. Статья, опубликованная недавно в Phys Rev Letters, открывает новые перспективы для графенов.

Группа ученых из Великобритании, США, Португалии и Испании, представила новый материал - двойной графеновый слой, который обладает полупроводниковыми свойствами, при этом ширина запрещенной зоны, определяющая свойства полупроводников, может изменяться в широком диапазоне - от нуля до энергии света в середине ИК-диапазона - под действием внешнего электрического поля напряженностью менее 1 В/нм.

Интересно, что в одинарном графеновом слое нет границы между валентной зоной и зоной проводимости - электроны переходят в нее без всякого барьера. Однако энергетический барьер возникает, если поверх одного графенового слоя наносится другой, и вся двуслойная конструкция находится во внешнем электрическом поле. По мнению ученых, запрещенная зона возникает за счет образования избытка электронов в одном слое и положительно заряженных "дырок" в другом. При этом электроны и дырки образуют квазичастицы, движение которых в полупроводниковом материале подчиняется совсем другим закономерностям, чем движение отдельных составляющих.

Физикам удалось измерить массу этих квазичастиц в образце двуслойного графена шириной порядка 1 мкм и длиной несколько микрометров, нанесенного на поверхность оксида кремния. Напряжение при этом создавалось между кремниевой пластиной и электродом, расположенным над слое графена. Массу квазичастицы измеряли с помощью циклотронного резонанса. Оказалось, что при увеличении напряжения на внешнем электроде от 0 до 100 В масса менялась от 0 до 150 мэВ.

Разработчики полупроводниковых материалов всегда мечтали о возможности менять ширину запрещенной зоны произвольным образом, но до сих пор для этого нужно было поменять и состав самого полупроводника. К тому же "точной настройки" добиться не всегда возможно. Появление такой возможности у графенов, которые к тому же имеют очень малые размеры и ряд уникальных физических и химических свойств, открывает для физики полупроводников уникальные перспективы, среди которых можно назвать лазеры с уникально точной настройкой длины волны, транзисторы, разнообразные датчики и т.п., сообщает Physics World.