Un team internazionale di scienziati ha organizzato i dati bibliografici disponibili sul grafene a doppio strato, un materiale ad alto potenziale con possibili applicazioni in elettronica e ottica. Il documento di revisione è stato pubblicato in Rapporti di fisica .

La corsa al grafene

Lo sviluppo della microelettronica è strettamente associato alla ricerca di nuove tecnologie e materiali da utilizzare nei transistor. Un materiale promettente, grafene, ha attirato l'attenzione di scienziati e ingegneri grazie alla sua insolita meccanica, elettrico, e proprietà ottiche. La corsa al grafene è iniziata nel 2004 con la pubblicazione di un articolo di Konstantin Novoselov e Andre Geim in Scienza . Come oggi, più di 10, Sono stati pubblicati 000 articoli sul grafene e sono stati concessi più di mille brevetti relativi al materiale.

grafene a doppio strato, o bigrafene, è una delle eccitanti forme di grafene, che sta attualmente guadagnando terreno:solo nel 2014 e nel 2015 più di 1, Sono stati pubblicati 000 articoli sul bigrafene.

Dott. Aleksandr Rozhkov, un coautore dell'attuale recensione, riassume il risultato del team:"Per scrivere la recensione sul grafene a doppio strato, abbiamo trascorso due anni a studiare e organizzare tutte le scoperte sperimentali e teoriche più significative nel campo. Di conseguenza, abbiamo pubblicato una recensione citando circa 450 articoli scientifici sul grafene a doppio strato e argomenti correlati. Proprio adesso, è la recensione più completa che tratta il problema, sia in termini di mero numero di referenze che di portata dell'oggetto."

Perché due è meglio di uno?

Una delle caratteristiche interessanti del grafene è la sua elevata mobilità dei portatori di carica. Infatti, è decine di volte superiore all'analoga quantità nel silicio, il materiale di riferimento della moderna microelettronica. Gli elettroni e le lacune (vacanze di elettroni) nel grafene possono muoversi facilmente e rapidamente sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Però, un transistor a base di grafene monostrato presenta un notevole inconveniente in quanto non può essere efficacemente spento. Ciò è spiegato dal fatto che il grafene non ha un bandgap, cioè., una gamma di valori energetici vietati ai suoi elettroni. Di conseguenza, il flusso di corrente attraverso un tale transistor non può essere completamente interrotto.

Il principale vantaggio del grafene a doppio strato è la possibilità di indurre localmente un bandgap e regolarne l'entità applicando un forte campo elettrico perpendicolare ai fogli di carbonio. Ciò significa che potrebbe essere utilizzato per progettare transistor di prossima generazione che funzionerebbero più velocemente e utilizzerebbero meno energia, che è particolarmente importante per i dispositivi portatili alimentati a batteria. Inoltre, la possibilità di sintonizzazione bandgap significa che c'è ancora più potenziale per applicazioni in optoelettronica e sensori.

Tuttavia, una vera rivoluzione della microelettronica deve ancora arrivare. Rispetto al normale grafene, un campione a doppio strato di alta qualità è più difficile da produrre, poiché è necessario controllare la qualità del materiale e la precisione dell'allineamento degli strati per preservare l'elevata mobilità della carica e altre caratteristiche.

Esistono tre tipi principali di bigrafene. In aa -grafene a doppio strato impilato, gli strati sono allineati in modo tale che ogni atomo nel foglio superiore si trovi esattamente sopra un atomo nel foglio inferiore. In AB -grafene a doppio strato impilato, gli strati sono sovrapposti in modo diverso, cioè., solo la metà degli atomi nel foglio superiore giace su un atomo, mentre l'altra metà giace al centro di un esagono nel reticolo cristallino del foglio inferiore (vedi Fig. 1). In un'altra variante, chiamato contorto bigrafene, uno strato viene ruotato di un angolo predeterminato rispetto all'altro strato. Ognuna delle tre tipologie ha le sue caratteristiche peculiari, che devono essere studiati.

Il futuro del grafene

Da adesso, molti degli schemi e dei concetti teorici inizialmente proposti sono stati assorbiti dalla comunità scientifica. Le previsioni fatte nell'era pre-grafene (gli anni '80 e '90) e poco dopo l'inizio della corsa al grafene sono state testate grazie ai rapidi progressi compiuti dalla scienza sperimentale del grafene nell'ultimo decennio. Al momento presente, gli scienziati sono impegnati a trovare applicazioni per il materiale. Ancora, ricercatori fondamentali (non alla ricerca di applicazioni immediate) sono anche impegnati a risolvere nuovi problemi che sorgono nel campo dei sistemi di grafene. Per una cosa, la misura in cui la repulsione di Coulomb tra gli elettroni può influenzare le proprietà dei sistemi di grafene rimane sconosciuta. Per affrontare questa domanda, vengono discussi concetti relativamente nuovi per la fisica dello stato solido, per esempio., gli stati marginali liquidi e topologicamente ordinati di Fermi.

Gli autori del documento di revisione hanno studiato il grafene a doppio strato per sei anni. Hanno contribuito alla comprensione della struttura elettronica di questo materiale. In particolare, hanno esaminato la possibilità di rottura spontanea della simmetria aa grafene a doppio strato impilato. I ricercatori hanno anche previsto teoricamente l'instabilità del sottosistema di elettroni in aa -impilati bigrafene e identificato la possibilità di ordinamento antiferromagnetico e stati spazialmente disomogenei in un sistema a doppio strato. A parte quello, gli autori hanno studiato gli stati a singolo elettrone in contorto grafene a doppio strato a vari angoli di torsione e per varie dimensioni di celle superreticolo, dove la nozione di cella superreticolo (nota anche come cella moiré; vedi Fig. 2) si riferisce a una struttura relativamente grande che si verifica periodicamente nel modello atomico, che si verifica quando due fogli di grafene sovrapposti vengono attorcigliati l'uno rispetto all'altro.

Dott. Artem Sboychakov, un coautore della recensione e uno scienziato ricercatore senior presso il Laboratorio n. 1 dell'Istituto di elettrodinamica teorica e applicata ha commentato la pubblicazione della recensione:"È una caratteristica comune di tutti i sistemi con un motivo moiré incluso il grafene a doppio strato ritorto che sono dotati di una fisica piuttosto complessa, principalmente a causa della complessità della loro struttura. Alcuni aspetti del loro comportamento, come gli effetti delle interazioni tra gli elettroni, non sono ancora completamente compresi. Dovremmo aspettarci una serie di scoperte entusiasmanti in questo campo. "

Il dottor Alexander Rakhmanov del MIPT, che dirige il Laboratorio n. 1 presso l'Istituto di elettrodinamica teorica e applicata, ha aggiunto:"Il nostro team ha una notevole esperienza negli studi teorici delle interazioni elettrone-elettrone nei sistemi basati sul grafene. In questi giorni, oltre ad approcci puramente analitici, il ruolo delle tecniche numeriche non può essere sopravvalutato. Ci aiutano a trovare le risposte a molte delle importanti domande teoriche. Gli autori di questa recensione stanno principalmente svolgendo ricerche presso il RIKEN Institute of Physical and Chemical Research in Giappone e presso l'Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, che collabora strettamente con il Dipartimento di Elettrodinamica dei Sistemi Complessi e Nanofotonica del MIPT. Tra questi due istituti chiave, abbiamo una potenza di calcolo sufficiente per condurre studi computazionali approfonditi. Penso che potrei riassumere i risultati della mia ricerca e l'esperienza che abbiamo acquisito durante la stesura della recensione dicendo che potremmo aspettarci che il grafene e i sistemi basati su questo materiale rimangano una fonte di ispirazione scientifica per molti ricercatori, sia teorici che sperimentali, per gli anni a venire".