Самостоятельная работа №2 по предмету «Электротехнические материалы» на тему: "Графит" студент группы 88-21 еее махсудов Данияр

Электронные свойства

Рисунок 7. Электронная структура однослойного графена. (а) Сотовая решетчатая структура графена, состоящая из двух атомов (А и В); (b) Представление зонной структуры графена; (c) Фононные спектры графена. (d) Схематическое представление зонной структуры с низкой энергией, демонстрирующей нулевой энергетический зазор в точке Дирака. "Синий" и "зеленый" уровни Ферми показывают p-и n-легирующие состояния.

Активные исследования графена начались в 2004 году благодаря первым экспериментальным подтверждениям его электронных свойств. Это стало основной причиной популяризации графена и возникновения повышенного интереса к нему. Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока (в миллион раз больше, чем у меди) и рекордную подвижность носителей зарядов (в 1000 раз больше, чем у кремния). Уникальность электронных свойств объясняется расположением атомов углерода в графене (Рис. 7). Оно устроено таким образом, что позволяет его электронам свободно перемещаться с чрезвычайно высокой скоростью без значительной вероятности рассеяния, экономя драгоценную энергию, обычно теряемую в других проводниках. Атомы углерода имеют в общей сложности 6 электронов: 2 во внутренней оболочке и 4 во внешней оболочке. 4 электрона внешней оболочки в отдельном атоме углерода доступны для химической связи. В графене же каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом 1 электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости. Ученые обнаружили, что графен остается способным проводить электричество даже на пределе номинально нулевой концентрации носителей. Это связано с тем, что электроны не замедляются и не локализуются при движении. Они, перемещающиеся вокруг атомов углерода, взаимодействуют с периодическим потенциалом сотовой решетки графена, что приводит к появлению новых квазичастиц, потерявших свою массу или массу покоя (так называемые безмассовые фермионы Дирака ). Совместные исследования за последние 50 лет доказали, что в точке Дирака в графене электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу. В результате графен определяют как полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Иногда его называют еще полуметаллом.  «Если говорить простым языком, то это означает, что в графене нет свободных носителей зарядов - электронов, как в металлах, поэтому его называют полупроводником, как только графен включают в электрическую цепь, то инжектируемые электроны в графен начинают двигаться по нему практически без сопротивления (запрещённой зоны, как в полупроводниках, в графене нет). Этот параметр называется подвижность носителей зарядов, и в графене этот параметр в 1000 раз больше, чем в кремнии, и при определённых условиях может равняться более 1000000 см²/В*с. Это означает, что быстродействие электронных устройств, таких как транзистор, можно увеличить в 1000 раз и ускорить обработку данных в современных компьютерах тоже в 1000 раз». Не стоит путать рекордную подвижность зарядов в графене с электропроводностью в привычном понимании. Удельная проводимость, которая является главной характеристикой электропроводников, в графене невысокая и сопоставима с медью – 500 Ом имеет сопротивление квадрат 10 на 10 мм и толщиной один атом (0,335 нм), если переводить в удельное сопротивление, то это 1,675*10^-7 Ом*м (у меди 16,8*10^-7 Ом*м).