сверхпроводники

Сильные осцилляции магнетосопротивления наноконтуров из ВТСП

Ожидается, что исследования наноразмерных ВТСП-структур могут дать дополнительную информацию о свойствах высокотемпературных сверхпроводников. В работе [1] измерено магнетосопротивление (МС) сетки наноконтуров из ВТСП La1.84Sr0.16CuO4, имеющих форму прямоугольника с длиной стороны (75-150) нм и ее шириной около 25 нм – почти на порядок меньше, чем в предыдущих экспериментах. МС как функция магнитного потока через площадь контура осциллирует с периодом h/2e (см. рис.).

 

 

Осцилляции магнетосопротивления сетки из наноконтуров La1.84Sr0.16CuO4.

 

Казалось бы, это есть не что иное как хорошо известный эффект Литтла-Паркса, обусловленный периодическим изменением критической температуры. Однако амплитуда осцилляций МС оказывается примерно в 50 раз большей, чем можно было ожидать от такого эффекта. Авторы [1] объясняют полученные ими результаты модуляцией энергетического барьера для движения магнитных вихрей. Заметим, что в [1] не обнаружено осцилляций МС с периодами h/e и h/4e, предсказанных теоретиками для наноконтуров из сверхпроводников с d-волновым параметром порядка и со страйпами, соответственно.

Л.Опенов

1.   I.Sochnikov et al., Nature Nanotech. 5, 516 (2010).

Оболочечные эффекты в сверхпроводящих наночастицах

Для наноразмерных низкотемпературных сверхпроводников с фононным механизмом спаривания теория предсказывает [1] существование так называемых “оболочечных эффектов”, обусловленных дискретностью энергетических уровней электронов. Так, даже очень небольшое изменение размеров сверхпроводящей наночастицы должно приводить к резкому изменению числа уровней в “окошке” шириной ED (дебаевская энергия) около энергии Ферми EF (рис. 1). Поскольку куперовские пары образуются электронами именно этих уровней, то увеличение (уменьшение) числа последних ведет к увеличению (уменьшению) сверхпроводящей щели D. Таким образом, можно ожидать сильных флуктуаций D как функции размеров частицы. В работе [2] (Германия, Португалия, Испания, Швейцария) методом сканирующей туннельной микроскопии изучена зависимость D от высоты h наночастиц Sn и Pb, выращенных на поверхности Rh(111), покрытой тонкой пленкой BN, и имеющих форму полусфер (рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация физической причины оболочечных эффектов в малых сверхпроводящих частицах. Значения высот h1, h2, h3 близки друг к другу, поэтому дебаевские “окошки” 2ED для всех трех наночастиц примерно одинаковы, но число уровней в этом “окошке” флуктуирует в зависимости от положения уровня Ферми, что ведет к флуктуациям величины сверхпроводящей щели.

Рис. 2. Зависимость сверхпроводящей щели наночастиц Sn и Pb от их высоты. Видно, что при
h
< 20 нм разброс значений D очень велик. Сплошные линии проведены для большей наглядности. Dbulk – величины D в объемных образцах. T = (1.2 ÷ 1.4) К.

 

Было обнаружено, что в наночастицах Sn величина D, как и ожидалось, является нерегулярной (скачкообразной) функцией h (рис. 2), причем D может существенно (в » 1.6 раза) превышать свое значение в объемном образце. В наночастицах Pb таких флуктуаций D не обнаружено, что авторы [2] объясняют подавлением оболочечных эффектов из-за малой длины когерентности x. Полученные в [2] результаты указывают, в частности, путь существенного (на » 60%) увеличения D (а значит, и Tc) фуллеренов A3C60, где x достаточно велика.

Л.Опенов

1.   V.Z.Kresin, Y.N.Ovchinnikov, Phys. Rev. B 74, 024514 (2006).

2.   S.Bose et al., Nature Mater. 9, 550 (2010).

Сверхпроводимость ГЦК-фуллерида Cs3C60

В этом году исполняется 30 лет с момента открытия [1] сверхпроводимости в органических материалах [(TMTSF)2PF6, Tc » 1 К]. За это время было обнаружено много других сверхпроводников на основе углерода, включая допированные фуллерены A3C60 [2] (А – щелочной металл), и критическая температура подросла до Tc = 38 K в Cs3C60 [3]. Интересно, что почти все сверхпроводящие фуллериды имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, тогда как у Cs3C60 она – объемноцентрированная.     В работе [4] (Великобритания, Словения, Япония) показано, что фуллерид Cs3C60 с ГЦК-решеткой представляет собой антиферромагнитный диэлектрик с температурой Нееля TN = 2.2 К. Сверхпроводником с Tc = 35 К он становится только под давлением (см. рис.).

 

Зависимость критической температуры ГЦК-фуллерида Cs3C60 от давления.

На вставке – зависимости объемной доли мейснеровской фракции
от давления в фуллеридах Cs3C60 со структурой ГЦК и А15.

 

 

Эволюция диэлектрического состояния этого фуллерида в сверхпроводящее напоминает купратные ВТСП. Так не слишком ли поспешно был в свое время [2] сделан вывод об “обычном” механизме сверхпроводимости допированных фуллеридов?

Л.Опенов

1.   D.Jerome et al., Phys. Rev. Lett. 41, 95 (1980).

2.   A.F.Hebard, Phys. Today 45, 26 (1992).

3.   A.Y.Ganin et al., Nature Mater. 7, 367 (2008).

4.   A.Y.Ganin et al., Nature 466, 221 (2010).

Электронная нематичность в псевдощелевом состоянии купратных ВТСП

Псевдощелевая фаза в купратных ВТСП формируется при удалении электронов из родительского моттовского диэлектрика, то есть при добавлении в него дырок. Эксперименты по спектроскопии показывают, что при не слишком большой концентрации дырок (недодопированные составы) псевдощель сосуществует со сверхпроводящей щелью, но, во-первых, больше последней по величине (рис. 1) и, во-вторых, наблюдается при Tc < T < T*, то есть в нормальном состоянии (отсюда и приставка “псевдо”). Остается неясным, происходит ли при T = T* нарушение какой-либо симметрии или нет, а если все-таки происходит – то какие электронные степени свободы при этом задействованы и каков параметр порядка? Для ответа на этот вопрос нужно разобраться с симметрией возбуждений, имеющих энергию псевдощели.

Рис. 1. Зависимости псевдощели (D1) и сверхпроводящей щели (D0) от концентрации дырок p в плоскости CuO2 купратных ВТСП.

Рис. 2. Иллюстрация нематического характера электронной структуры слоя CuO2. Две О2р-орбитали в пределах каждой элементарной ячейки изображены разным цветом, чтобы подчеркнуть их неэквивалентность.

В работе [1] интернационального коллектива из США, Японии, Южной Кореи и Шотландии измерены локальные туннельные спектры недодопированных ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+d с Tc = (20-55) К. Показано, что в псевдощелевом состоянии имеет место локальное (в пределах элементарной ячейки CuO2) нарушение симметрии электронных состояний относительно поворота на 90° (группа С4) – как в нематических жидких кристаллах. Симметрия относительно поворота на 180° (группа С2) сохраняется. Это связано с неэквивалентностью двух кислородных узлов в каждой ячейке CuO2 (рис. 2). Причина же такой неэквивалентности кроется, по мнению авторов [1], в “слабом магнетизме” атомов кислорода. Полученные в [1] результаты позволяют с единой точки зрения объяснить данные различных экспериментов, включая дифракцию нейтронов и ARPES.

Л.Опенов

1.   M.J.Lawler et al., Nature 466, 347 (2010).

наноматериалы

Изготовление графеновых нанолент с атомарной точностью

Один из путей перевода полуметаллического квазидвумерного графена в диэлектрическое состояние состоит в его разрезании на квазиодномерные полоски шириной ~ 10 нм – графеновые наноленты (graphene nanoribbons, GNRs). Первоначально для этих целей использовались так называемые “сверху-вниз” (top-down) методики, например, нанолитография. Затем были разработаны методы “снизу-вверх” (bottom-up), в том числе разворачивание углеродных нанотрубок. Но все они не позволяют гарантированно получать GNRs с заданными шириной и атомной структурой границ. Последнее обстоятельство весьма существенно, поскольку именно форма границ GNRs (зигзагообразная или “кресельная”) во многом определяет величину диэлектрической щели. В работе [1] швейцарские и немецкие физики сообщают о разработке ими нового “снизу-вверх” способа изготовления GNRs, который дает возможность воспроизводимо получать GNRs с наперед заданными шириной и структурой границ. Он основан на использовании специальных молекулярных прекурсоров – галогенсодержащих полициклических ароматических углеводородов. Конкретная структура границ GNRs и их ширина полностью определяются типом прекурсора и режимом термообработки, в ходе которой из прекурсора удаляются атомы галогенов и водорода (см. рис.).

 

Основные этапы формирования графеновой наноленты при нагревании нанесенного на подложку молекулярного прекурсора (дегалогенизация, образование линейного полимера, дегидрогенизация).

 

 

Недостатком развитой в [1] методики является то, что подложки для GNRs обязательно должны быть металлическими (Au, Ag), что препятствует измерению электрических характеристик таких GNRs и их практическому использованию в наноэлектронике. Выход заключается в переносе GNRs на диэлектрическую подложку SiO2, что было продемонстрировано авторами [1]. Существенно, что посредством этой методики можно получать GNRs не только с атомарно четкими границами, но и с самой различной топологией (например, в [1] были изготовлены “пилообразные” GNRs).

 

 

Еще одна подвижка в технологии GNRs [2] связана с уменьшением ширины литографически полученных GNRs от (20 ÷ 30) нм до < 5 нм путем их высокотемпературного окисления в присутствии аммиака и последующего травления с краев со скоростью менее 1 нм/мин. Структуру границ GNRs при этом, правда, контролировать сложнее, но такие узкие GNRs практически всегда являются диэлектрическими – независимо от типа границы. Химическое травление GNRs предполагается использовать при изготовлении графеновых полевых транзисторов с комнатной рабочей температурой.

1.   J.Cai et al., Nature 466, 470 (2010).

2.   X.Wang, H.Dai, Nature Chem. 2, 661 (2010).

Оригинальные фильтры из нанотрубок

Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в разных лабораториях, несколько лет назад продемонстрировали, что уникальные свойства углеродных нанотрубок могут быть использованы для получения эффективных фильтров, газоразделительных мембран, носителей для катализаторов [1]. Трудность заключается в получении материалов, имеющих размеры, достаточные для реального применения.

Недавно учёные из Rice University (США) и их коллеги из Финляндии и Венгрии предложили простой, но эффективный способ получения новых нанофильтров и носителей для катализаторов из углеродных нанотрубок (УНТ) [2]. УНТ были синтезированы CVD методом на Si/SiO2 подложках. Из пластин толщиной около 500 мкм с помощью лазера вырезали небольшие диски диаметром 8.5 мм, в которых тоже лазером сделали цилиндрические отверстия (диаметр 500 мкм, расстояние между центрами отверстий 1 мм). В процессе синтеза нанотрубки росли перпендикулярно поверхности SiO2 на верхней и нижней сторонах подложки и на цилиндрической поверхности отверстий. Отверстия постепенно заполняли нанотрубками, и через 30 мин после начала CVD процесса уже были полностью закрыты. При увеличении времени процесса слой нанотрубок становился плотным, нанотрубки изгибались и продолжали расти уже не перпендикулярно стенкам отверстий, а параллельно им. На рис.1 представлены полученные на сканирующем автоэмиссионном электронном микроскопе (FESEM) изображения “газона” из нанотрубок (это слово, пожалуй, подходит здесь больше, чем общепринятый термин “лес”) на разных стадиях роста.

Рис. 1. FESEM изображения УНТ мембран:
a
– предварительная стадия процесса (до выхода на режим),
b
– время синтеза 20 мин, отверстие начинает закрываться.
Отверстия закрыты: c – время синтеза 30 мин, d – 40 мин.

Измерения газопроницаемости полученных мембран показали сильную зависимость от длины, структуры и плотности нанотрубок на подложке. Когда время синтеза было небольшим, мембрана имела высокую газопроницаемость (отверстия были заполнены частично). По мере увеличения времени синтеза проницаемость снижалась. Мембраны после 40 мин синтеза оказались чрезвычайно эффективными в фильтрации благодаря своей уникальной нанопористой структуре и плотной упаковке нанотрубок. Авторы работы [2] сравнили полученный ими фильтр с широко известным фильтром тонкой очистки воздуха HEPA (он используется в воздухоочистителях, пылесосах и другой бытовой технике). Эффективность фильтрации воздуха в офисе для частиц 0.3 мкм у нового нанофильтра оказалась существенно выше и достигла 99%! (рис.2).

Рис. 2. Концентрация частиц диаметром 0.3-2 мкм в воздухе офиса до и после фильтрации через УНТ-мембрану и бытовой НЕРА фильтр. По оси ординат - счет частиц (103/л), по оси абсцисс - размер частиц (мкм).

Рис.3. ТЕМ изображения углеродных нанотрубок, декорированных Pd-наночастицами: наночастицы 1.5-3.4 нм - восстановление мембраны в потоке водорода при 500°С (а); наночастицы 3.6-5.4 нм – отжиг мембраны перед восстановлением (b).

Мембраны были также испытаны в качестве носителей катализаторов. Для этого нанотрубки декорировали наночастицами Pd. Использовали два разных метода: в первом – мембраны импрегнировали ацетатом палладия, затем восстановлены/активи-рованы в потоке водорода при 500°С; во втором – импрегнированные мембраны перед восстановлением отжигали на воздухе при 380°С. В первом случае средний размер частиц Pd был 3.4 нм, во втором – 5.4 нм (рис.3). (Забегая вперед, отметим, что конверсия практически не зависела от метода приготовления катализатора).

Каталитические мембраны показали отличную активность в гидрировании пропилена в пропан при температуре 120-160оС (для образцов с самыми длинными нанотрубками скорость конверсии на один каталитический центр Pd составляла примерно 1.1 молекул/с, а энергия активации – 27.8 кДж/моль), см. рис. 4.

 

Рис.4. Схема каталитического гидрирования.

После нескольких циклов нагрева–охлаждения было изучено старение катализатора при 156°C. Через два часа никаких признаков дезактивации не было. По-видимому, упорядоченная структура радиальных нанотрубок способствует стабилизации наночастиц палладия. Можно надеяться, что такая организация нанотрубок в макроскопические системы позволит существенно расширить области их применения.

О.Алексеева

1.   ПерсТ 14, вып. 22/23, с. 9 (2007).

2.   N.Halonen et al., ACS Nano 4, 2003 (2010)

Квантовые системы

Взаимодействующие электроны в одномерии: за рамками жидкости Латтинжера

В одномерных системах кулоновское взаимодействие электронов приводит к ряду необычных эффектов, таких как спин-зарядовое разделение, вигнеровская кристаллизация и дробный электрический заряд элементарных возбуждений [1]. Многие из них объяснены (или даже предсказаны) в рамках теории жидкости Латтинжера. Однако применимость этой теории ограничена предположением о строго линейном законе дисперсии квазичастиц в окрестности уровня Ферми, что, в частности, ведет к полному запрету на релаксацию низкоэнергетических возбуждений. Учет параболических поправок приводит к тому, что для электронов релаксация становится возможной, тогда как для дырок – по-прежнему нет (из-за ограничений, накладываемых законом сохранения энергии, см. рис.).

Иллюстрация кинематических ограничений на релаксацию электронов и дырок в одномерных сильнокоррелированных системах.

 

Эксперименты по селективному туннелированию электронов и дырок в квантовый провод показали [2], что такая асимметрия действительно имеет место: электроны быстро релаксируют к тепловому равновесию (за время, меньшее, чем требуется для их движения от источника к стоку, te < 10-11 с), а дырки сохраняют исходную энергию на всей длине провода (то есть th >> 10-11 с). Интересно, что авторам работы [2] удалось количественно объяснить экспериментальные данные в предположении слабого межчастичного взаимодействия, хотя для изученного в [2] квантового провода это не так (параметр Латтинжера g » 0.55). Микроскопическая модель кинетических явлений и релаксации энергии в одномерных системах с сильными корреляциями пока отсутствует.

1.   V.V.Deshpande et al., Nature 464, 209 (2010).

2. G.Barak et al., Nature Phys. 6, 489 (2010).

Квантовая точка в море Ферми

Поскольку электроны и дырки в квантовых точках занимают дискретные энергетические уровни, то их рекомбинация приводит к появлению на спектрах фотолюминесценции пиков, имеющих вид похожий на d-функции при соответствующих энергиях. Но это – если квантовая точка изолирована. Если же она подсоединена к контакту (через который в нее, собственно, и попадает электрон, см. рис.), то спектр зависит от характера туннелирования электрона из “фермиевского моря” контакта в квантовую точку.

Когерентное туннелирование электрона между резервуаром
и квантовой точкой существенно влияет на спектр
электрон-дырочной рекомбинации.

Обычно толщина туннельного барьера велика, и поэтому туннелирование является некогерентным: попав в квантовую точку, электрон “забывает” о своем источнике. Если же барьер достаточно тонкий, то электрон “сохраняет память” о покинутом им “море”. Этот случай и изучен в работе [1] сотрудников Eindhoven Univ. of Technology (Нидерланды) и Ohio Univ. (США) на примере самоорганизованных квантовых точек InAs/GaAs. Анализ полученных результатов показал, что в рекомбинации участвуют локализованная дырка и электрон, представляющий собой когерентный гибрид электрона в точке и вырожденного электронного газа в контакте, откуда этот электрон протуннелировал. Рекомбинация сопровождается своеобразной “встряской” электронов контакта, что приводит к специфической форме спектральной линии. Фактически здесь можно говорить о “многочастичном экситоне”. Подобного рода эффекты нужно обязательно принимать во внимание при разработке квантовых информационных систем на основе квантовых точек.

1.   N.A.J.M.Kleemans et al., Nature Phys. 6, 534 (2010).

Расчет идет – заряд стоит

Работа элементов современных компьютеров основана на перемещении заряда в пространстве из одного места в другое.

Элементы квантовых компьютеров (кубиты) могут работать как на пространственных состояниях, так и на спиновых состояниях. Обычно использование пространственных состояний предполагает перемещение заряда. В отличие от состояний спина, пространственными состояниями можно удобно и быстро управлять, подавая напряжения на соответствующие внешние электроды. В настоящее время наиболее перспективным является применение двойных квантовых точек в качестве кубитов. Двумя логическими состояниями кубита выбирают наличие электрона в одной точке либо в другой. Интерес к этим объектам возрос после публикации статьи [1]. Два нижних энергетических состояния в двойной квантовой точке являются симметричным и антисимметричным. Энергетический зазор между ними можно сделать сколь угодно малым. Оказалось, что, вопреки интуиции, в этом случае релаксация, вызванная взаимодействием с фононами значительно подавляется.

К сожалению, неконтролируемое кулоновское взаимодействие соседних кубитов является самым сильным процессом декогерентизации в зарядовых компьютерах, причем, в отличие от прочих механизмов, его совершенно невозможно уменьшить при понижении температуры. Перемещение заряда в одном из кубитов очень быстро (менее, чем за 10-10 с) нарушает фазу соседнего кубита.

В работе [2] предложена конструкция компьютера на пространственных состояниях, в которой не происходит перемещение заряда в процессе вычислений.

Предлагаемый кубит содержит не одну двойную квантовую точку, как обычно, а две двойные квантовые точки, в каждой из которых содержится один электрон (рис. 1). Затвор Т управляет туннельной связью между квантовыми точками, а затвор Е управляет перекрытием волновых функций электронов, т.е. обменным взаимодействием. При кодировании и обработке информации используются только симметричное и антисимметричное состояния в двойной квантовой точке, при этом отсутствует перемещение заряда между точками.

 

Рис. 1. Структура идеального кубита (а) и неидеального (b), требующая введения дополнительных корректирующих затворов.

 

В работе доказана возможность инициализации компьютера, управления состоянием отдельных кубитов, проведения двухкубитной операции CNOT и осуществления считывания результата вычислений.

 

Экспериментаторы могут оказаться недовольными усложнением структуры. Выбор добровольный: либо более сложная работающая структура, либо более простая неработающая. 

 

1.   L.Fedichkin et al., Quant. Computers and Computing 1, 58 (2000).

2.  V.Vyurkov et al., Physics Letters A 374, 3285 (2010).

Снова к основам

Расщепленный по спину свет

Поведение света, падающего под углом к поверхности раздела двух сред – задача, казалось бы, давно решенная и описанная в учебниках, так что трудно здесь ожидать каких-либо сюрпризов. Однако малоизвестным остается тот факт, что при преломлении света две его поляризованные по кругу составляющие оказываются пространственно разделенными (рис. 1). Несомненно, подобные причуды оптики интересны и сами по себе, но в связи с развитием спиновой электроники, те оптические явления, в которых задействован момент количества движения, привлекают к себе особое внимание исследователей [1,2].

Данный эффект, был предсказан Фёдоровым в 1955-м году [3], а экспериментально обнаружен Имбертом в 1972-м [4]. Что заставляет преломленный луч расслаиваться и смещаться в сторону от плоскости падения, вопреки устоявшимся представлениям геометрической оптики? Оказывается, здесь вмешивается принцип еще большей степени общности: преломление по сценарию, описанному в школьных учебниках, нарушает закон сохранения момента количества движения. Из симметрии задачи следует, что нормальная к поверхности компонента момента импульса должна сохраняться. При падении луча света под прямым углом к поверхности с этим проблем не возникает, однако при скользящем освещении, когда направления падающего и преломленного луча сильно отличаются, разница в моментах импульса становится явной, и чтобы ее скомпенсировать преломленный луч с круговой поляризацией смещается в сторону от точки падения. 

Справедливости ради и в оправдание школьных учебников надо сказать, что это смещение совсем незначительное – меньше длины волны, так что явление, строго говоря, выходит за пределы области применимости геометрической оптики. Обнаружение такого малого смещения представляет собой непростую задачу для экспериментатора, и методы измерения столь деликатных эффектов постоянно совершенствуются.

В недавней статье [2] предложен способ измерения эффекта путем сканирования поверхности раздела сред дополнительным лучом накачки (рис. 1б). Пятно от сфокусированного излучения накачки играет роль своего рода апертуры, локально изменяя характеристики среды (в качестве материала авторами [2] выбран полупроводник, а не традиционно используемое стекло). Перемещая пятно накачки с помощью пьезоэлектрической подачи с нанометровой точностью, исследователи получают сигнал, представляющий собой свертку профиля пятна накачки и пробного луча, претерпевающего расщепление на поляризованные по кругу компоненты (чтобы избежать такого же расщепления луча накачки, его направляют под прямым углом к поверхности). Данный метод позволяет фиксировать смещение лучей вследствие эффекта Фёдорова-Имберта с точностью, доступной сканирующим зондовым методам (в данном случае смещение составляло 200нм). 

 

Рис. 1. а - Эффект Фёдорова-Имберта: пространственное разделение циркулярно-поляризованных компонент луча после преломления [1];
б -
метод измерения эффекта Фёдорова-Имберта с применением дополнительного излучения накачки (
pump), луч которой сканирует по образцу [2].

 

Эффект Фёдорова-Имберта в последнее время стали также называть спиновым эффектом Холла для света, имея в виду его аналогию с открытым позднее спиновым эффектом Холла [5]. Спиновый эффект Холла состоит в поперечном сносе электронов, в зависимости от направления спина, вправо или влево по ходу движения при протекании электрического тока через проводник. Причиной обоих эффектов является спин-орбитальное взаимодействие в веществе. Роднит эффекты и возможная область применения – спиновая электроника. Спиновый эффект Холла можно использовать для создания неравновесной концентрации поляризованных по спину электронов, а его оптический аналог - для картирования пространственного распределения спиновой плотности. Особо стоит подчеркнуть, что нанометровое пространственное разделение поляризованного излучения может быть регулируемо простым изменением угла падения света.

А.Пятаков

1.   J.K.Furdyna, Physics 3, 56 (2010).

2.   J.-M.Menard, et al., Phys. Rev. B 82, 045303 (2010).

3.   Ф.И.Федоров, ДАН СССР 105, 465 (1955).

4.   C.Imbert, Phys. Rev. D 5, 787 (1972).

5.   Y.Kato et al., Science 306, 1910 (2004).

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Псевдомагнитное поле свыше 300 Тл в графеновых нанопузырьках

Теоретически предсказано [1], что при сильном локальном искажении решетки графена электроны в деформированной области начинают двигаться по замкнутым траекториям, как если бы они находились во внешнем магнитном поле. Такое “поле” называют псевдомагнитным. Оно тем больше, чем больше деформация решетки. А как можно деформировать графен? В работе [2] (США, Испания, Канада) было обнаружено, что при росте монослоя графена на поверхности Pt(111) спонтанно образуются “нанопузырьки” (nanobubbles), имеющие, как правило, форму треугольной пирамиды с характер ными размерами несколько нанометров (см. рис.).

Графеновый нанопузырек.

Сканирующая туннельная микроскопия показала, что нанопузырьки сохраняют атомную структуру графена, но имеют различные (из-за деформации) межатомные расстояния, а значит и различные интегралы перескока электронов между соседними атомами углерода, что, собственно, и индуцирует эффективный векторный потенциал или, другими словами, псевдомагнитное поле. Но раз есть магнитное поле (пусть “псевдо”), то должны иметь место и связанные с ним эффекты. Например, квантовый эффект Холла. И действительно, сканирующая туннельная спектроскопия показала наличие в нанопузырьках уровней Ландау, причем с очень большими энергиями – соответствующими магнитному полю около 350 Тл. Выходит так, что для изучения воздействия экстремальных магнитных полей на электрические свойства твердых тел сами эти поля вовсе не нужны – их можно заменить деформацией… Что касается графена (прочного и упругого), то использование деформации для “инженерии” его электронной структуры на наноуровне не только интересно с фундаментальной точки зрения, но и может оказаться весьма полезным в практических целях.

Л.Опенов

1.   F.Guinea et al., Nature Phys. 6, 30 (2010).

2.   N.Levy et al., Science 329, 544 (2010).

Гибкие и прозрачные графеновые пленки для суперконденсаторов

Графеновые пленки перспективный материал для использования в качестве элемента суперконденсаторов, входящих в состав современных электронных устройств, таких как компьютерные мониторы, экраны мобильных телефонов и другие бытовые приборы. Подобные пленки были, в частности, недавно синтезированы и детально описаны группой исследователей из Univ. of Waterloo (Канада) [1]. Листы графена синтезировали восстановлением оксида графена (ОГ), полученного и очищенного стандартным методом. 40 мг ОГ диспергировали в воде с помощью ультразвуковой обработки, после чего в суспензию вводили 5% (по массе) Na2CO3. В результате величина рН раствора достигала 9–10. Затем суспензию, в которую вводили 3 г NaBH4, растворенного в 50 мл воды, перемешивали в течение 36 ч при температуре 80оС. Эту процедуру повторяли для удаления остатков кислорода.  

Ультратонкие графеновые пленки толщиной 25, 50, 75 и 100 нм и диаметром 40 мм выделяли методом фильтрации водной дисперсии графенов с концентрацией 0.2 мг/мл. Пленки, осажденные на мембране из оксида алюминия, сушили при температуре 90°C в течение 30 мин. Затем образцы обрабатывали 0.05-мольным раствором NaOH, что приводило к травлению мембраны из оксида алюминия и отделению от нее пленки. Зависимость коэффициента поглощения от толщины пленки, измеренная для излучения длиной волны 550 нм, показана на рисунке.

Наблюдается линейная зависимость поглощения от толщины пленки. При этом даже самые толстые пленки обладают пропусканием, достаточным для использования в качестве прозрачных конденсаторов. Проводимость пленок находится в диапазоне от 800 до 1000 См/м, что несколько превышает величины, полученные другими авторами и указывает на высокую степень восстановления графенов из оксидов. Пленки на полимерной подложке не теряют проводимость при свертывании в рулон.

Для исследования электрохимических свойств были выбраны графеновые пленки, нанесенные на электрод из стеклоуглерода. С этой целью использовали циклическую вольтамметрию (CV), зарядно-разрядную потенциометрию (CD) и спектроскопию электрического импеданса (EIS). Все измерения проводили в трехэлектродной системе в водном растворе (2М) KCl. При измерениях вольт-амперных характеристик напряжение изменяли в диапазоне от 0 до 1 В со скоростью 10, 20, 50, 100 и 200 мВ/с. Результаты измерений показали, что удельная емкость пленок практически плавно снижается по мере увеличения их толщины и составляет 111, 105, 102 и 99 Ф/г для пленок толщиной 25, 50, 75 и 100 нм, соответственно. Кроме того, отмечается незначительное (в пределах 20%) снижение емкости по мере увеличения скорости роста напряжения. Максимальная удельная энергия (0.0154 кВтч/кг) наблюдалась на пленках толщиной 25 нм. При этом удельная мощность ячейки составила 0.554 кВт/кг. Для более толстых пленок указанные параметры оказались на 10–20% ниже. Во всех случаях наблюдается монотонно спадающая зависимость удельной энергии от удельной мощности.

А.Елецкий

1.   A.Yu, Appl. Phys. Lett. 96, 253105 (2010).

Обратимая функционализация графенов в плазме

Электронные характеристики графенов могут быть изменены в результате функционализации, то есть присоединения к графенам каких-либо радикалов или функциональных групп. Такая модификация расширяет область возможных применений графенов и открывает возможность синтеза элементов наноэлектроники с заданными характеристиками. Недавно группой исследователей из Naval Research Lab. (США) разработан новый подход к функционализации графенов, основанный на использовании плазменно-пучкового разряда [1].

Схема экспериментальной установки

Графены выращивали стандартным методом химического газофазного осаждения (CVD) на медной подложке. Импульсный пучок электронов с энергией 2 кэВ направляли в камеру, заполненную аргоном при давлении 50 мТорр, где в области с поперечным сечением 60х25 см2 создавался плазменно-пучковый разряд. Наряду с Ar в камеру вводили также O2 или SF6 диссоциация которых в плазме приводила к образованию радикалов кислорода или фтора. Концентрация этих примесей была обычно около 5%. Длительность импульса электронного пучка равнялась 2 мс, а период между импульсами – 20 мс. Истинное время контакта графенов с плазмой равнялось 6 с. Плазменную обработку проводили при комнатной температуре. При функционализации кислородом графены оставались на медной подложке. При фторировании образец графена перед плазменной обработкой переносили на подложку Si/SiO2. Обработанные в плазме образцы в течение 10 мин отжигали при температуре 500°C в потоке Ar при давлении 2 Торр. На каждой стадии обработки образцы исследовали методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и спектроскопии комбинационного рассеяния высокого пространственного разрешения. 

Измерения показали, что графены, обработанные в присутствии кислорода, содержат около 30% этого элемента. Содержание фтора во фторированных графенах составляет 18 ат. %. Термообработка фторированных образцов приводит к полному удалению фтора. При этом в обоих случаях полностью восстанавливается форма XPS спектра образцов, что указывает на обратимый характер функционализации. Кроме того, отжиг приводит к устранению структурных дефектов графенов, которые вызваны функционализацией.

A.Елецкий

1.   M.Baraket et al., Appl. Phys. Lett. 96, 231501 (2010).

Финансирование и рынок

Истинная цена науки

Проблема финансовых вливаний в научные исследования, особенно фундаментальные, постоянно находится под пристальным вниманием государства и общества, разумеется не только в нашей стране. За рубежом данный вопрос также регулярно поднимается, как в выступлениях политиков и ведущих ученых, так и в прессе. В свете последних изменений в политическом курсе многих стран, нацеленном конкретно на проведение “инновационной политики”, денежная тема всегда находится в фокусе активной полемики и регулярно подвергается критике. Не обошло стороной этот вопрос и известное периодическое издание Nature, разместив на страницах одного из последних своих выпусков статью Колина Макилвэйна (Colin Macilwain), известного независимого журналиста, который постарался изложить современное состояние дел в связке финансирование-наука с позиций оценки экономической эффективности [1].

Президент США Барак Обама, а вслед за ним и ведущие ученые, среди которых Фрэнсис Коллинз, глава Национальных институтов здравоохранения США (NIX) считают, что финансирование науки – это вклад в обеспечение благополучия и экономического роста государства. В частности, Коллинз в поддержку высказанного тезиса привел исследовательские данные одной из некоммерческих организаций (Families USA), в которых говорилось о существенной экономической отдаче вложенных NIX средств уже через год. Но именно вопросы расчета экономической эффективности и вызывают изрядную долю скептицизма. Очевидность методологических недостатков в большинстве схем для оценки результативности научных исследований не позволяют уверенно говорить об их объективности. По мнению некоторых экспертов цифры, связанные со значительной долей выигрыша от исследований, получались посредством экстраполяции экономических достижений ряда более мелких работ, многие из которых проводились с явной целью заручиться инвестиционной поддержкой, и не отражали реальных результатов. Естественно, что в сложившейся ситуации назрела необходимость развивать новые и более совершенные инструменты экономической оценки научных исследований.

Введение американцами программы STAR METRICS (Science and Technology in Americas Reinvestment Measuring the Effects of Research on Innovation, Competitiveness and Science – Наука и техника в реинвестировании Америки – Оценка результатов научных исследований в области инноваций, конкурентоспособности и науки) позволяет администрации Обамы отслеживать влияние федеральных научно-исследовательских грантов и контрактов непосредственно на результативность проведенных исследований. Одним из важнейших критериев результативности является, безусловно, экономическая составляющая, но и другие показатели также учитываются, как, например, число публикаций. Первичной целью программы STAR METRICS является создание базы данных обо всех финансируемых из федерального бюджета исследователях США (текущая версия базы данных содержит довольно противоречивую информацию об именах и местах работы ученых). В дальнейшем, не без помощи Всемирной паутины, планируется отслеживать патенты, цитирования и другие наукометрические критерии. По мнению некоторых экспертов уже первые результаты программы STAR METRICS, которые ожидаются летом 2011, покажут целесообразность финансирования тех или иных научных проектов. Однако Макилвэйн отмечает, что даже экономические преимущества нисколько не гарантируют стабильности дальнейших денежных инвестиций. Признаки того, что расходы на науку в будущем будут постепенно уменьшаться, уже проявляются в некоторых аспектах деятельности Палаты представителей США, а также сформированного после последних парламентских выборов правительства Великобритании. Конечно, деньги на науку будут тратить. Вопрос только в том, сколько?

М.Маслов

1.  C.Macilwain, Nature 465, 682 (2010).

_____________________________________________

Внимание!

С апреля 2006 г. ПерсТ выпускается только в электронном формате и представлен по адресу http://perst.issp.ras.ru и http://perst.isssph.kiae.ru . Желающие получать выпуски ПерсТа по своему электронному адресу могут сообщить его в адрес редакции perst@issp.ras.ru


Ответственный редактор И.Чугуева  irina@issp.ras.ru  тел: (495) 930 33 89

Научные редакторы: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин

В подготовке выпуска принимали участие:  О.Алексеева, В.Вьюрков, А.Елецкий, М.Маслов, Л.Опенов, А.Пятаков

Компьютерный ввод, макет: И.Фурлетова