Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе. Эти примеси можно обнаружить, так как из-за них происходит локальное нагревание материала. Российско-немецкая группа ученых исследовала этот эффект и впервые теоретически описала его. Результаты были опубликованы в статье 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 инстит​утом ядерной физики им. Б.П. Константинова.


Похожие новости

  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    213
  • 23/06/2018

    Российские ученые нашли вещество, ослабляющее защиту раковых клеток

    ​Российские молекулярные биологи открыли вещество, способное "отключать" белки, мешающие химиотерапии убивать раковые клетки, и успешно проверили его работу на культурах рака прямой кишки.
    496
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    302
  • 20/07/2018

    Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

    Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали математическую модель процессов, происходящих при распространении тепла в сверхчистых кристаллах. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования.
    300
  • 04/10/2018

    Физики впервые получили спиновый ток при помощи лазера

    Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН в сотрудничестве с зарубежными коллегами впервые показали, что с помощью сверхкоротких лазерных импульсов можно генерировать гигагерцовый спиновый ток.
    383
  • 10/09/2018

    Ученые реконструировали 3D-модель еды по двумерному изображению ее структуры

    ​Ученые показали, что на основе двумерного изображения продуктов питания можно создать трехмерную модель их внутреннего строения. Опираясь на нее, можно предсказать физические свойства пищевого продукта и смоделировать процессы, происходящие внутри него.
    265
  • 27/08/2018

    Ученые раскрыли механизм работы связанных с раком и аутизмом белков

    ​Ученые определили роль нового семейства белков, связанных с раком и аутизмом. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Molecular Cell. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
    244
  • 20/06/2018

    Ученые объяснили формирование суперземель

    ​Российские ученые проанализировали эволюцию молодых звезд и выяснили, как формируются планеты на ранних стадиях. Это поможет изучать процессы, происходящие при образовании экзопланет, что позволит лучше понять структуру и строение космических тел, находящихся в том числе и в Солнечной системе.
    357
  • 06/11/2018

    Российские физики разработали новую микроволновую антенну

    ​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза.
    166
  • 18/08/2017

    Российские и французские ученые разработали уникальный детектор нейтронов

    ​Ученые из Объединенного института ядерных исследований вместе с коллегами из Орсе (Франция) разработали уникальный детектор нейтронов и с его помощью определили вероятность радиоактивного (нейтронного) распада атомных ядер легких химических элементов.
    671