В очередной раз графен зарекомендовал себя как особый материал: международная исследовательская группа под руководством профессора Фрица Аумайра из Института прикладной физики в Венском техническом университете смогла продемонстрировать, что электроны в графене чрезвычайно подвижны и очень быстро реагируют. Воздействие ионов ксенона с особенно высоким электрическим зарядом на графеновую пленку приводит к тому, что большое количество электронов отрывается от графена в очень точном месте. Однако материал смог заменить электроны за несколько фемтосекунд.
Это привело к очень высоким токам, которые не поддерживаются при нормальных условиях. Его исключительные электронные свойства делают графен очень многообещающим кандидатом для будущих приложений в области электроники.
Центр Гельмгольца Дрезден-Россендорф и Университет Дуйсбург-Эссен участвовали в эксперименте вместе с Венским университетом. Международная команда получила теоретическую поддержку из Парижа и Сан-Себастьяна, а также от штатных сотрудников (Институт теоретической физики в Венском техническом университете).Сильнозарядные ионы«Мы работаем с чрезвычайно заряженными ионами ксенона», — объясняет Элизабет Грубер, аспирант исследовательской группы профессора Аумайра. «До 35 электронов удаляются из атомов ксенона, что означает, что атомы имеют высокий положительный электрический заряд».Эти ионы затем обстреливаются отдельно стоящим одинарным слоем графена, который зажат между микроскопически маленькими скобками. «Ион ксенона проникает через графеновую пленку, тем самым выбивая атом углерода из графена, но это имеет очень небольшой эффект, поскольку образовавшаяся щель в графене затем заполняется другим атомом углерода», — объясняет Элизабет Грубер. «Для нас гораздо более интересным является то, как электрическое поле сильно заряженного иона влияет на электроны в графеновой пленке».
Это происходит еще до того, как сильно заряженный ион ксенона столкнется с графеновой пленкой. Когда сильно заряженный ион приближается, он начинает отрывать электроны от графена из-за его чрезвычайно сильного электрического поля. К тому времени, когда ион полностью прошел через слой графена, он имеет положительный заряд менее 10, по сравнению с более чем 30 в начале. Ион способен извлекать более 20 электронов из крошечной области графеновой пленки.
Это означает, что теперь в слое графена отсутствуют электроны, поэтому атомы углерода, окружающие точку удара ионов ксенона, заряжены положительно. «Теперь вы ожидаете, что эти положительно заряженные ионы углерода отталкиваются друг от друга, улетая в результате так называемого кулоновского взрыва и оставляя большой промежуток в материале», — говорит Ричард Вильгельм из Гельмгольц-центра Дрезден-Россендорф. , который в настоящее время работает в TU Wien ассистентом докторантуры. Но, как ни удивительно, это не так.
Положительный заряд в графене нейтрализуется почти мгновенно ».Это возможно только потому, что достаточное количество электронов может быть заменено в графене за чрезвычайно короткий промежуток времени в несколько фемтосекунд (квадриллионных долей секунды). «Электронный отклик материала на разрушение, вызванное ионом ксенона, чрезвычайно быстр. Сильные токи из соседних областей графеновой пленки быстро пополняют запасы электронов до того, как взрыв будет вызван отталкиванием друг друга положительных зарядов », — объясняет Элизабет Грубер. «Плотность тока примерно в 1000 раз выше, чем та, которая могла бы привести к разрушению материала при нормальных обстоятельствах, — но на этих расстояниях и временных масштабах графен может выдерживать такие экстремальные токи без каких-либо повреждений».Сверхбыстрая электроника
Эта чрезвычайно высокая подвижность электронов в графене имеет большое значение для ряда потенциальных приложений: «Есть надежда, что именно по этой причине можно будет использовать графен для создания сверхбыстрой электроники. Графен также отлично подходит для использования в оптике, например, для соединения оптических и электронных компонентов », — говорит Аумайр.