Блог

Jun 16, 2023

Графен: совершенство бесполезно

Ничто в мире не идеально. Это также верно и в области исследования материалов. В компьютерном моделировании систему часто представляют в весьма идеализированном виде; например, вычисляются свойства

Ничто в мире не идеально. Это также верно и в области исследования материалов. В компьютерном моделировании систему часто представляют в весьма идеализированном виде; например, вычисляются свойства, которыми должен обладать абсолютно совершенный кристалл. Однако на практике нам всегда приходится иметь дело с дополнительными эффектами — с дефектами кристаллической решетки, с дополнительными частицами, прикрепляющимися к материалу, со сложными взаимодействиями между частицами. Поэтому решающий вопрос заключается в следующем: изменяют ли эти неизбежные дополнительные эффекты свойства материала или нет?

Это особенно интересно в случае двумерного материала графена, который состоит только из одного слоя атомов углерода. Давно известно, что графен обладает превосходными электронными свойствами. Однако до сих пор было неясно, насколько стабильны эти свойства. Разрушаются ли они в результате неизбежных на практике возмущений и дополнительных воздействий или остаются нетронутыми? ТУ Вена (Вена)теперь удалось в разработке комплексной компьютерной модели реалистичных графеновых структур. Оказалось, что желаемые эффекты очень стабильны. Даже не совсем идеальные кусочки графена можно успешно использовать в технологических целях. Это хорошая новость для мирового графенового сообщества.

«Мы рассчитываем на атомном уровне, как электрический ток распространяется в крошечном кусочке графена», — говорит профессор Флориан Либиш из Института теоретической физики Венского технического университета. «Существуют разные способы, которыми электрон может двигаться через материал. Согласно правилам квантовой физики, ему не обязательно выбирать один из этих путей; электрон может двигаться по нескольким путям одновременно».

Эти разные пути могут затем по-разному перекрываться. При очень специфических значениях энергии пути нейтрализуют друг друга; при этой энергии вероятность прохождения электронов через кусок графена очень мала, а электрический ток минимален. Это называется «деструктивное вмешательство».

«Тот факт, что ток резко уменьшается при очень конкретных значениях энергии по квантово-физическим причинам, является очень желательным технологическим эффектом», — объясняет Либиш. «Это можно использовать, например, для обработки информации в крошечном масштабе, подобно тому, что делают электронные компоненты в компьютерных чипах».

Его также можно использовать для разработки новых квантовых датчиков: предположим, что кусок графена практически вообще не проводит ток. Затем внезапно молекула снаружи прикрепляется к поверхности графена. «Эта одна молекула немного меняет электронные свойства кусочка графена, и этого уже может быть достаточно, чтобы резко увеличить ток», — говорит доктор Роберт Стадлер. «Это можно использовать для создания чрезвычайно чувствительных датчиков».

Но физические эффекты, которые играют роль в деталях, очень сложны: «Размер и форма кусочка графена не всегда одинаковы, и между несколькими электронами происходят многочастичные взаимодействия, которые очень сложно рассчитать математически. В некоторых местах могут быть нежелательные дополнительные атомы, а атомы всегда немного покачиваются — все это необходимо принять во внимание, чтобы иметь возможность описать материал графен по-настоящему реалистично», — говорит доктор Анджело Валли.

Именно этого сейчас удалось достичь в Венском техническом университете: Валли, Штадлер, Томас Фабиан и Либиш имеют многолетний опыт правильного описания различных эффектов в материалах в компьютерных моделях. Объединив свой опыт, им теперь удалось разработать комплексную компьютерную модель, которая включает все соответствующие источники ошибок и эффекты возмущений, существующие в графиках. И тем самым они смогли показать: даже при наличии этих источников ошибок желаемые эффекты все еще видны. Все еще возможно найти определенную энергию, при которой ток течет лишь в очень малой степени из-за квантовых эффектов. Эксперименты уже показали, что это правдоподобно, но систематического теоретического исследования до сих пор не было.