Локальный нагрев поможет выявлять примеси в уникально чистых образцах графена

Международный коллектив с участием российских ученых описал, как можно находить в создаваемых сейчас уникально чистых образцах графена мельчайшие примеси, мешающие его работе. Эти примеси можно обнаружить, так как из-за них материал локально нагревается. Теоретические описание эффекта опубликовано 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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.