Новости

11 Мая, 2018 17:42

Ученые рассказали, как заставить проводник из графена лучше работать

Источник:
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. Результаты были опубликованы в статье в журнале Physical Review B. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (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.

25 Февраля, 2020
Биоритмы мозга выдали движения рук человека
Ученые выяснили, что уровень "хаотичности" электрических сигналов, которые вырабатывает мозг человек...
21 Февраля, 2020
Бактерии и биоуголь спасли ячмень от отравления тяжелыми металлами
Российские почвоведы и биологи придумали, как с помощью бактерий и биоугля можно очищать почву ...