2
Введение................................................................ 4
Глава 1. Особенности электропсрсноса в графене, графите и углеродных нанотрубках (литературный
обзор)................................................ 11
1.1. Графен и его войства............................................. 13
1.2. Дираковские фермионы в графите................................... 23
1.3. У глеродные нанотрубки........................................... 28
1.4. Постановка задачи................................................ 38
Глава 2. Исследование квантования Ландау в графите нанометровой
толщины методом межслосвого туннелирования..................... 39
2.1 Квантование Ландау в графене..................................... 39
2.2. Изготовление структур типа «меза»................................ 43
2.3. Методики измерений туннельных спектров........................... 49
2.4. Межслоевое туннелирование в условиях квантования
Ландау............................................................ 55
2.5. Выводы............................................................ 59
Глава 3. Изучение интерференции дираковских фермионов в
графите нанометровой толщины с колоннообразными дефектами.................................................... 60
3.1. Интерференция дираковских фермионов на графеновом
мезокольце........................................................ 60
3.2. Получение монокристаллов графита нанометровой толщины с колонообразными дефектами. Методика
измерений......................................................... 62
3.3. Исследование магетотранспорта в графите нанометровой
толщины с колоннообразными дефектами.............................. 65
3.4. Выводы........................................................... 74
з
Глава 4. Квантово-интерференционные явления на
углеродных нанотрубках.................................... 75
4.1. Эффект Ааронова-Бома на углеродных нанотрубках................. 75
4.2. Характеристика исследуемых углеродных нанотрубок.
метотдика измерения............................................ 79
4.3. Исследование эффекта Ааронова- Бома на многостенных углеродных нанотрубках......................................... 80
4.4. Выводы......................................................... 86
Заключение.......................................................... 87
Список публикаций................................................... 88
Цитированная литература............................................. 90
4
Введение
Углерод, благодаря многообразию форм существования, является важнейшим природообразующим элементом, играющим важнейшую роль в живой и неживой природе. Уникальность углерода определяется
возможностью его одновременного существования в различных
кристаллических формах: алмаз (30) и квазидвумерный графен (20), квазиодномерные нанотрубки и карбины (Ю), и нульмерные фуллерены (ОЭ). Открытые в 1985 году фуллерены и позднее в 1991 году нанотрубки можно рассматривать как производные графена (монослоя графита), в котором для создания каркасной замкнутой структуры внесены структурные дефекты - пятиугольники для фуллсрснов и большая кривизна графеновой поверхности для углеродных нанотрубок.
Как показали теоретические исследования, графен является
единственным из кристаллических материалов, в котором носители имеют релятивистскую форму спектра, т.е. в переносе заряда участвуют дираковские фермионы, имеющие нулевую эффективную массу.
Поэтому с появлением технологии выделения свободных графеновых чешуек в 2004 году [1,2] начался настоящий бум экспериментальных исследований их физических свойств, обусловленный большой значимостью этих исследований как для фундаментальной науки, так и для практических целей - с графеном связано множество надежд в наноэлектронике.
Экспериментальное обнаружение в графеме дираковских фермионов -безмассовых носителей с коническим спектром, открыло уникальную возможность исследовать некоторые аспекты релятивской квантовой электродинамики в твердом теле.
В последнее время было обнаружено, что дираковские фермионы существуют и в тонких кристаллах графита манометровой толщины. Эти наблюдения открыли новый подход к исследованию дираковских
5
фермионов, поскольку в графите дираковскис фермионы не испытывают рассеяния на риплонах (ripple), молекулах абсорбированного газа и шероховатости подложки, что позволяет достичь меньших времен рассеяния, чем в свободном графене.. На подобных системах можно изучать гуннелирование дираковских фермионов между слоями графена, а также их квантовую интерференцию. Однако подобные работы не проводились и поэтому являются актуальными.
Цель работы и основные задачи
Целью диссертационной работы являлось изучение транспортных свойств графита наноразмерной толщины и многостенных нанотрубок.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:
1. Исследование характера квантования Ландау носителей с помощью мсжслоевого туннелирования в графите.
2. Изучение эффекта Ааронова-Бома на колоннообразных дефектах в графите манометровой толщины
3. Изучение эффекта Ааронова-Бома на многостенных углеродных нанотрубках в условиях близких к сильной локализации.
Для решения поставленных задач необходимо было разработать методики формирования наноразмерных графитовых структур.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Методом межслоевого туннелирования в графите определен вклад носителей со спектром квантования Ландау, характерным для дираковских фермионов с корневой зависимостью энергии от номера п уровня Ландау и величины магнитного поля. Показан когерентный характер туннелирования этих носителей с сохранением импульса.
6
2.0бнаружен осцилляционный вклад в магнстосопротивление монокристаллов графита нанометровой толщины с колоннообразными дефектами. Показано, что период осцилляций по потоку соответствует кванту потока на дефект, что указывает на вклад дираковских фермионов.
3.Экспериментально продемонстрирован эффект Ааронова-Бома на многостенных углеродных нанотрубках в условиях, близких к режиму сильной локализации носителей. Установлена его специфика по сравнению с режимом слабой локализации носителей (период осцилляций по потоку вдвое больше, чем при слабой локализации).
Основные положения, выносимые на защиту:
1 .Определение квантования Ландау в графите, характерного для дираковских фермионов методом межслоевого туннелирования.
2.Обнаружение периодических по полю осцилляций
магнетосопротивления монокристаллов графита нанометровой толщины с колоннообразными дефектами с периодичностью квант потока на дефект.
3.Обнаружение эффекта Ааронова-Бома на многостенных углеродных нанотрубках в режиме, близком к сильной локализации носителей.
Достоверность
Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики подтверждаются известными теоретическими моделями, а также согласуются с результатами, опубликованными в отечественных и зарубежных работах. Определенные в работе значения энергий квантовых уровней Ландау согласуются с экспериментальными результатами, полученными другими авторами с помощью других методов.
7
Научная значимость работы.
В работе получены новые убедительные доказательства, подтверждающие участие дираковских фермионов в транспорте вдоль и поперек слоев в графите. Первое экспериментальное наблюдение эффекта Ааронова-Бома на многостенных углеродных нанотрубках в условиях, близких к сильной локализации носителей, пока не находит адекватного теоретического описания и указывает на возможность существования этого эффекта в условиях самой сильной локализации.
Практическая значимость работы связана с перспективой использования фафена и структур на его основе в наноэлектронике. Развитый в работе метод получения тонких монокристаллов графита большой латеральной площади (~ 0,5 мм) нанометровой толщины (—100 нм), как это продемонстрировано в работе, дополненный дальнейшим утонением нанокристаллов до атомных толщин (до 1 нм) бездефектным травлением в мягком плазменном разряде открывает новый подход в получении графена большой площади и высокого структурного совершенства практически на любых подложках, включая гибкие.
Личный вклад соискателя.
Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. ■
Апробация работы.
Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях, семинарах, конкурсах научных работ и выставках:
S 8th International Workshop on Fullerenesand Atomic Clusters
IWFAC’2007), St. Petersburg, Russia, July 2-6, 2007;
S Российская конференция “Сильно коррелированные электронные
системы и квантовые критические явления”, 18 июня 2008 г., г.
Троицк Московской области;
- Київ+380960830922