Объединённая группа физиков из Чехии, Франции и Канады сделала широкий шаг к получению искусственного графена.

Наиболее интересной особенностью графена, двумерной модификации углерода, считается его зонная структура, о которой «КЛ» уже не раз рассказывала. Низкоэнергетическая динамика электронов в нём описывается эффективным уравнением, имеющим вид уравнения Дирака для частиц с нулевой массой, движущихся со скоростью ~ 106 м/с. Можно сказать, что носители заряда в графене ведут себя как безмассовые фермионы и характеризуются линейной зависимостью энергии от импульса, изображаемой в виде так называемых конусов Дирака, касающихся друг друга.

«Идея создания искусственного графена была высказана довольно давно, — вспоминает один из авторов исследования Лукаш Надворник (Lukas Nádvorník). — Суть её состоит в том, чтобы создать на основе высококачественных двумерных полупроводников, ставших вполне доступными, кристаллы с синтетической гексагональной сотовой решёткой, характерной для графена. Работать с искусственным материалом проще, и экспериментаторам будет удобнее проверять, насколько хорошо графен подходит для тех или иных электронных устройств».

Зонная структура обычного полупроводника (слева) и графена (иллюстрация Berkeley Lab).

«Вообще говоря, двумерные сверхрешётки с периодом в ~100 нм, к которым относится и искусственный графен, изготавливались ещё в девяностых годах прошлого века, — продолжает исследователь. — Тогда учёных, однако, не интересовали дираковские фермионы — то, что отличает графен от других материалов. В своей работе мы обозначили требования к полупроводниковой структуре, при выполнении которых можно рассчитывать на наблюдение дираковских фермионов. Четыре критерия, сформулированных нами, абсолютно прозрачны и легко переводятся в экспериментальную плоскость».

Для проведения опытов, которые должны были подтвердить, что найденные критерии действуют, физики подготовили несколько полупроводниковых образцов. Структура одного из них, созданного с применением методик сухого травления и электронно-лучевой литографии, показана на рисунке ниже. Глубина отверстий в его верхней части менялась, а их диаметр и расстояние между центрами — постоянная решётки — были зафиксированы на отметках в ≈60 и 200 нм (у природного графена параметр решётки, напомним, примерно в тысячу раз уступает указанному значению). Двумерный электронный газ (2DEG) содержался в 20-нанометровой квантовой яме между барьерами из Al0,33Ga0,67As.

Строение полупроводникового образца (иллюстрация из New Journal of Physics).

«Опыты показали, что создание полнофункционального искусственного графена требует уменьшения постоянной решётки до нескольких десятков нанометров, — завершает рассказ г-н Надворник. — Мы попробуем добиться этого с помощью электронно-лучевой литографии более высокого разрешения или сфокусированного ионного пучка. Надеюсь, первые сообщения о наблюдении безмассовых дираковских фермионов в полупроводниковых структурах такого типа появятся совсем скоро».