Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
Углероду и, в частности, такой его форме как графит, в последнее время уделяется очень много внимания. В основном, этот интерес вызван сравнительно недавними открытиями квазиодномерной и квазинольмерной его форм (нанотрубок и фуллеренов). Постоянные открытия их новых возможных применений не дают этому интересу угаснуть. На фоне такого изобилия информации о трёх формах графита (к двум упомянутым выше стоит добавить ещё трёхмерный случай) особенно выделяется практически полное, до недавнего времени, отсутствие данных о его двумерной (или квазидвумерной) форме. Все имевшиеся до недавнего времени публикации об экспериментальных исследованиях подобной системы сводились к нескольким работам. Сотни слоев графита, извлеченных из кристалла, - это было самое близкое приближение к 2D случаю. Такой пробел в исследовании этого щедрого на сюрпризы материала не мог не вызвать исследовательского интереса. Несколько лет назад, в рамках описываемой работы, впервые были получены плёнки толщиной всего в несколько атомарных слоев графита, а также монослои кристалла графита (графен). Проведённые измерения транспортных свойств полученного материала показали, что по своим свойствам он является полуметаллом с малым перекрытием зоны проводимости и валентной зоны. Также наблюдался значительный по величине эффект поля и амбиполярный эффект Холла, что позволяет при помощи приложенного внешнего поля не только изменять проводимость материала, но и менять основной тип носителей заряда. Полученные результаты стимулировали дальнейшее исследование графена.
Наблюдение эффекта поля вместе с металлической проводимостью позволило предположить, что графен может быть интересен для микроэлектроники и наноэлектроники. Современная микроэлектроника находится в постоянном развитии. Основное стремление этой отрасли к миниатюризации стимулирует связанные с ней научные и технологические исследования. По мере того, как существующие на данный момент технологии и материалы приближаются к пределу своих возможностей, ведётся активное исследование новых материалов и принципов работы устройств. Полупроводниковые материалы, используемые в современной микроэлектронике, имеют некоторые принципиальные ограничения. Одно из основных - ограничение концентрации и подвижности носителей заряда. Применение цельнометаллических транзисторов, т.е. использование металла в качестве основного материала микроэлектроники, несомненно, положительно сказалось бы на быстродействии и других характеристиках устройств. Однако эта идея наталкивается на другие препятствия: невозможно управлять проводимостью «толстых» металлических пленок из-за того, что поле полностью экранируется уже на глубине не превышающей нанометра, а плёнки такой толщины использовать для этих целей практически невозможно, так как они крайне нестабильны. Исследования
графена и ультратонкого графита (несколько атомарных слоев) показали, что эти материалы удивительно стабильны - образцы демонстрировали воспроизводимые результаты на протяжении длительного времени, несмотря на то, что никаких особых мер для обеспечения их сохранности не принималось (образцы содержались при обычных окружающих условиях). Приняв также во внимание тот факт, что проводимостью графена и ультратонкого графита можно управлять при помощи внешнего электрического поля, можно сделать вывод, что эти материалы представляют несомненный интерес для микроэлектроники.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование транспортных свойств тонких и ультратонких (несколько атомарных слоев) монокристаллических плёнок графита, а также свойств графена (монослой кристалла графита).
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
отработать метод получения и контроля качества тонких графитовых плёнок,
разработать технологию изготовления образцов контролируемой толщины и заданной формы, используя методы фото- и электронной литографии,
исследовать влияние электрического и магнитного полей на транспортные свойства тонких плёнок графита.
Научная новизна работы
-
Впервые получен двумерный кристаллический материал — графен (один атомарный слой кристалла графита). Он получен путём механического расщепления кристалла графита.
-
Установлено, что ультратонкий графит является двумерным полуметаллом и демонстрирует сильный амбиполярный эффект электрического поля.
-
Исследованы свойства двумерных электронного и дырочного газов в приповерхностных слоях тонких плёнок графита (носители заряда индуцированы внешним электрическим полем).
-
Обнаружено принципиальное отличие магниторезистивных свойств графена от аналогичных свойств ультратонких плёнок графита (аномальный целочисленный квантовый эффект Холла).
Практическая значимость работы
1. Методом механического расщепления получен уникальный квазидвумерный кристаллический материал — ультратонкий графит (а также монослой графита - графен), проводимостью которого
г-1
можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Так как он ещё обладает и металлической проводимостью, это делает его потенциально привлекательным материалом для микроэлектроники. С момента выхода первой статьи с материалами данной работы (2004 г) наблюдается постоянный рост количества теоретических и экспериментальных публикаций на эту тему, так что можно ожидать (как это было в случае с нанотрубками) скорого появления разнообразных других, менее очевидных, но не менее интересных применений ультратонкого графита и графена, а также более производительных способов получения этих материалов. Проведённые исследования транспортных свойств ультратонких плёнок графита, а также однослойных плёнок графита (графена), дают достаточно полное представление о двумерном газе носителей заряда в этом материале, что может быть использовано как для дальнейшего развития теории, так и для поиска практических применений этих плёнок.
Личный вклад диссертанта в работу
Получение тонких графитовых плёнок (включая графен -монослой кристалла графита).
Разработка технологии изготовления образцов из полученного материала.
Участие в проведении магниторезистивных измерений.
Участие в обсуждениях полученных результатов.
Получение тонких плёнок графита и изготовление образцов производилось в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, а также в университете Манчестера. Низкотемпературные измерения и измерения в магнитных полях проведены в университете Манчестера.
Работа в Черноголовке проводилась совместно с к.ф.-м.н. Дубоносом СВ., Майстренко Л.Г., Выдумкиной Р.Н.
В Манчестере исследования проводились совместно с к.ф.-м.н. Новосёловым К.С, к.ф.-м.н. Морозовым СВ., Prof. А.К. Geim, D. Jiang, F. Schedin.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Обнаружена возможность управления проводимостью тонких кристаллических плёнок графита при помощи внешнего электрического поля (амбиполярный эффект электрического поля).
-
Определены массы электронов и дырок, индуцированных внешним электрическим полем в приповерхностных слоях тонких плёнок графита. Доказана двумерная природа газа носителей заряда.
-
Обнаружено принципиальное отличие результатов магниторезистивных исследований графена от аналогичных
результатов для ультратонких плёнок графита (аномальный целочисленный квантовый эффект Холла).
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на следующих научных конференциях:
Nanotechnology in Carbon and Related Materials (Brighton, U.K., 2005);
Electronic Properties of Two-Dimensional Systems and Modulated Semiconductor Structures (Albuquerque, New Mexico USA, 2005);
"NANOSTRUCTURES: Physics and Technology" (St Petersburg , 2005);
VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2005" (Москва, 2005).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырёх журнальных статьях, а также тезисах конференций. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
