Продемонстрирован управляемый переход «металл — диэлектрик» в графеновых гетероструктурах.

11.10.11 Группа физиков из Великобритании, России и Японии, в которую вошли лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новосёлов, продемонстрировала контролируемый переход «металл — диэлектрик» в графеновых устройствах.

Перечисляя характерные черты графена, физики часто упоминают о проводимости, которая сохраняется при любой концентрации носителей заряда n — даже при «отсутствии» последних. Действительно, измерения вблизи точки нейтральности (в этой точке соприкасаются зависимости энергий электронов и дырок от квазиимпульса, в графене имеющие форму конусов), дают минимальную проводимость σmin, близкую к кванту проводимости е2/h, где h — постоянная Планка, а е — элементарный электрический заряд. У всех известных материалов столь малое значение σ вызывает переход «металл — диэлектрик» в условиях пониженной температуры.

Обычный графен, однако, не совершал такой переход даже при температуре жидкого гелия, что казалось совершенно нелогичным.

Чтобы исследовать этот феномен, авторы создали двуслойную гетероструктуру, составленную из графена и гексагонального нитрида бора BN. Процесс изготовления был разбит на несколько этапов: сначала учёные разместили на подложке из Si/SiO2 слой BN относительно большой (20–30 нм) толщины и покрывающий его монослой графена, нужный рисунок которого задавался по методикам электронно-лучевой литографии и травления в плазме кислорода, после этого на заготовку наносили тонкий (4, 12 или 16 нм) слой BN и второй монослой графена, тщательно совмещённый с первым, а завершалась операция формированием контактов из Au/Ti. При измерениях между двумя электрически изолированными монослоями прикладывалось напряжение Vt (см. рис. ниже), что увеличивало концентрацию носителей заряда в них. Обычно Vt фиксировалось на каком-то одном уровне, определяющем практически постоянное значение n в верхнем слое графена, а величина n в нижнем слое варьировалась с помощью напряжения Vb.

При слабом допировании — установке относительно низкой концентрации носителей — верхнего (контрольного) слоя поведение нижнего слоя ничем не отличалось от наблюдавшегося ранее, и экспериментаторы измеряли минимальную проводимость, равную ~4•е2/h. Нужный эффект дало сильное допирование (n > 1011 см–2): в таких условиях вблизи точки нейтральности при температуре менее 70 К в нижнем слое всё же наблюдался искомый переход «металл — диэлектрик».

По мнению физиков, в предыдущих опытах этот переход подавлялся за счёт характерной для графена неоднородности распределения заряда, образования электронных и дырочных областей при нулевой средней концентрации электронов. В каждой такой области графен существенно отходит от точки нейтральности, сохраняя металлическую проводимость. По этой причине поведение графена становится «естественным» только в присутствии расположенного рядом контрольного слоя.

«Интересные физические эффекты в нашей работе сочетаются с технологическими новшествами, — отмечает г-н Гейм. — Соединение слоёв графена с нитридом бора может стать основой графеновой электроники».

Источник: compulenta.ru