Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе. Эти примеси можно обнаружить, так как из-за них происходит локальное нагревание материала. Российско-немецкая группа ученых исследовала этот эффект и впервые теоретически описала его. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы были опубликованы в статье в журнале Physical Review B, кратко о них рассказывает пресс-релиз РНФ.
Одно из наиболее ярких свойств графена — рекордно высокая электрическая проводимость — делает его чрезвычайно перспективным материалом для использования в самых различных приложениях наноэлектроники. Однако часто во время производства этого материала не удается избежать попадания в него разного количества примесей, ухудшающих его свойства.
«Графен обладает очень хорошей проводимостью, если его тщательно очистить. Но нужно знать, где остались последние примеси, которые не удалось удалить, – поясняет соавтор работы, доктор физико-математических наук Валентин Качоровский, ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау. – Наши коллеги применили сверхточную экспериментальную методику, чтобы измерить локальный нагрев, обусловленный оставшимися примесями, а мы попытались теоретически описать этот эффект. Развитая теория может стать основой для эффективного определения положения примесей».
Результаты экспериментов, которые упомянул Валентин Качоровский, представлены в статьях, опубликованных в журналах Nature и Science. В ходе этих исследований физики определяли положение примесей в графене по локальному разогреву с помощью сверхчувствительного сверхпроводящего термометра.
Когда по графену течет электрический ток (то есть в нем направленно движутся электроны), примеси создают дополнительное электрическое сопротивление, и рядом с ними выделяется немного больше тепла. Это происходит из-за столкновений электронов. Электрон может наткнуться на примесь (включение в решетке) или на фонон – воображаемую частицу, с помощью которой физики описывают колебания ионов в составе решетки. Также иногда происходят более сложные комбинированные столкновения, в которых одновременно задействованы примеси и колебания решетки.
«Оказывается, что именно в процессе такого комбинированного столкновения электрон отдает очень большую энергию кристаллической решетке, из-за чего и происходит разогрев образца, – комментирует Валентин Качоровский. – Поскольку такое столкновение чрезвычайно эффективно в смысле отдачи энергии, оно называется суперстолкновением».
У экспериментаторов были системы, где содержится всего несколько примесей на весь образец, и они смогли обнаружить проявления суперстолкновений в таких системах. Теоретикам удалось математически описать такие эффекты и выяснить, насколько сильно рассеивающие одиночные примеси могут повлиять на разогрев образца, из-за которого энергия теряется впустую, а приборы могут испортиться.
«Мы изучили, как примеси влияют на разогрев, узнали скорость передачи энергии от электрона к решетке, рассчитали изменение температуры вокруг такой примеси, – подвел итог Валентин Качоровский. – Мы предсказали разные зависимости – например, от средней температуры вдали от примеси и от силы рассеяния на одиночной примеси. Это уже можно проверять в эксперименте».
Работа проводилась в сотрудничестве с НИТУ «МИСиС» и Петербургским институтом ядерной физики им. Б.П. Константинова.
