Безмассовые дираковские фермионы в графене

Актуальность работы. Графен – это первый строго двумерный материал. Свойства любого материала определяются не только химическим составом, но и расположением атомов. С углеродом это особенно понятно. Всем известно, насколько разные алмаз и графит, хотя состоят они из одних и тех же атомов углерода.

---

Не знаете, где найти контрольные на заказ недорого в Иркутске - специалисты Work5 вам помогут.

---

. Но эти атомы разным образом упорядочены в пространстве, что приводит к колоссальному различию свойств. Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем, толщиной в один атом, организованным в гексагональную кристаллическую решетку. Его можно представить, как плоскость, срез графита, отделенный от объемного кристалла. Графен обладает огромной механической прочностью и рекордно высокой теплопроводностью. Необычайно высокая подвижность электронов в нем делает графен перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах . Цель работы – проанализировать безмассовые дираковские фермионы в графене. Задачи: - рассмотреть основные понятия графена; - описать дираковские фермионы в графитовых слоях; - изучить движение квазичастицы в графене. Объект исследования – графен. Предмет исследования – безмассовые дираковские фермионы. Методы исследования – анализ, обобщение полученной информации. Структура работы состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.  

В результате проделанной работы решены следующие задачи: рассмотрены основные понятия графена; описаны дираковские фермионы в графитовых слоях; изучено движение квазичастицы в графене. Графен - очень чистое вещество, в котором электроны могут пролетать большие расстояния без рассеяния. Если же нагреть графен до определенных температур, электроны начнут часто сталкиваться друг с другом. Движение электронов в этом случае сильно напоминает поток вязкой жидкости в обычной трубе. Ученые измерили вязкость электронной жидкости в графене. Она оказалась довольно большой и может в 100 раз превосходить вязкость меда. Таким образом, классическое представление о независимом движении электронов несколько расходится с действительностью в случае чистых образцов, таких как графен. В такой ситуации для описания электронной системы разумно использовать приближение гидродинамики, которое в данном случае очень хорошо работает. Интересное и неожиданное свойство графена — клейновское туннелирование. Если бы не было клейновского туннелирования, графен был бы малоинтересен с точки зрения электронных свойств, он вообще не мог бы проводить ток, потому что электроны были бы заперты в электронных «лужах», а дырки — в дырочных «лужах». И при приложении электрического поля носители заряда не могли бы течь в таком неоднородном рельефе. Парадокс Клейна заключается в том, что безмассовые дираковские фермионы с высокой вероятностью проходят сквозь потенциальные барьеры независимо от того, насколько они высокие и широкие, поэтому «лужи» не так сильно портят проводящие свойства графена, как могли бы. Для создания сверхбыстрых инструментов на основе квантовой оптики требуются эффективные электрооптические элементы. Графен является перспективным нелинейным элементом для этой сферы. И вот почему: в классическом полупроводнике зависимость энергии от импульса квадратичная, а в графене она линейная. Соответственно, если считать скорость как производную энергии по импульсу, получится, что в полупроводнике у электронов на нижних энергетических уровнях скорость мала. Исходя из распределения носителей по уровням энергии, нужно иметь довольно высокую концентрацию электронов на верхних энергетических уровнях, чтобы их скорость стала достаточно большой. В графене же электроны почти сразу становятся быстрыми. Одна из задач, связанных с графеном, — создание терагерцовых эмиттеров. Сделать такой эмиттер очень важно, потому что до сих пор не существует компактных эффективных источников излучения в этом диапазоне, которые бы могли работать на оптическом столе. Раньше их пробовали создать на основе полупроводников. После открытия графена начались исследования возможности его использования для того, чтобы построить такие устройства. Фундаментальная физика зачастую отрывается от реальности, изучая всевозможные экстремальные объекты. Графен эту науку немного заземляет, позволяя демонстрировать многие эффекты, предсказанные теорией, не в ядрах далеких звезд и даже не на ускорителях, а в типичных лабораторных условиях.

1. Беленкова Т.Е. Полиморфные разновидности графана / Т.Е. Беленкова // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2016. - №1. - С.49-54. 2. Беленкова Т.Е. Структура и электронные свойства α-графиновых слоев, получающихся из графена L4-8 / Т.Е. Беленкова // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2015. – С. 17-122. 3. Беленкова Т.Е. Компьютерное моделирование электронной структуры графиновых слоев / Т.Е. Беленкова // Всероссийская конференция «Химия твердого тела и функциональные материалы – 2016», XI семинар «Термодинамика и материаловедение»: сборник трудов конференции. 20-23 сентября 2016. – Екатеринбург, Межрегиональный издательский центр. 2016. – С. 44-46. 4. Волков В. А. Эффекты типа Ааронова-Бома для дираковских электронов // Труды XV международного симпозиума Нанофизика и нанофотоника, 2011. – 145 с. 5. Волков В. А. Осцилляции АароноваБома в сопротивлении неодносвязного графена, обусловленные краевыми состояниями Тамма-Дирака // Тезисы X Российской конференции по физике полупроводников, 2011. – 512 с. 6. Девизорова Ж. А. Резонансное рассеяние электронов на квазистационарных таммовских уровнях графеновой антиточки // Сборник трудов XV Школы молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 2014. – 541 с. 7. Загороднев И. В. Рассеяние электронов на квазистационарных уровнях графеновой антиточки // Тезисы XII Российской конференции по физике полупроводников, 2015. – 412 с. 8. Латышев Ю. И. Орбитальное квантование в системе краевых дираковских фермионов в наноперфорированном графене // Письма в ЖЭТФ. - 2013. - № 98. - С. 22-92. 9. David L. Miller, Kevin D. Kubista, Gregory M. Rutter, Ming Ruan, Walt A. de Heer, Phillip N. First, Joseph A. Stroscio. Observing the Quantization of Zero Mass Carriers in Graphene // Science. - 2009. - №4. - P. 24–127. 10. Raichev O. E. Effective Hamiltonian, energy spectrum, and phase transition induced by in-plane magnetic field in symmetric HgTe quantum wells // Phys. Rev. B. - 2012. - № 85. - P. 45-110.