Array
Открыт «родственник» графена — фаграфен

Открыт «родственник» графена — фаграфен

Группа ученых из России, США и Китая под руководством Артема Оганова из МФТИ с помощью компьютерного моделирования предсказала существование нового углеродного двумерного материала, «лоскутного» аналога графена, который они назвали «фаграфен». Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

«В отличие от графена, который образован шестиугольными сотами” с атомами углерода в узлах, фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных углеродных колец. Отсюда и его название, сокращение от Penta-Hexa-heptA-graphene», — говорит Оганов, руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ.

Двумерные материалы — материалы, состоящие из слоя толщиной в один атом, — в последние десятилетия привлекают большое внимание ученых. Впервые такой материал — графен — был получен в 2004 году выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены за это достижение Нобелевской премии по физике.

Графен благодаря своей «двумерности» имеет абсолютно уникальные свойства. Обычные материалы способны проводить ток в том случае, если свободные электроны могут иметь энергию, соответствующую «зоне проводимости» данного материала. Если между диапазоном возможных энергий электронов («валентная зона») и диапазоном проводимости есть разрыв (так называемая запрещенная зона), то этот материал — изолятор. Если «валентная зона» и «зона проводимости» перекрываются, то это проводник, материал, где электроны могут перемещаться под действием электрического поля.

В графене каждый атом углерода имеет три электрона, которые связаны с электронами атомов-соседей, образуя химические связи. Четвертый электрон каждого атома «делокализован» по всему графеновому листу, что позволяет ему проводить электрический ток. При этом в графене запрещенная зона имеет нулевую ширину. Если представить энергию электронов и их положение в виде графика, получится фигура, похожая на песочные часы, два конуса, соединенных вершинами. Их называют «конусы Дирака».

Благодаря этому электроны в графене ведут себя очень странным образом: они все имеют одну и ту же скорость (которая оказывается сопоставимой со скоростью света) и не обладают инерцией. Это выглядит так, как будто они не имеют массы. Примерно так же, согласно теории относительности, должны вести себя частицы, путешествующие со скоростью света. Скорость электронов в графене составляет около 10 тысяч километров в секунду (в обычном проводнике скорость электронов — от сантиметров до сотен метров в секунду).

Фаграфен, открытый Огановым и его коллегами с помощью алгоритма USPEX, как и графен, является материалом, где возникают конусы Дирака, а электроны ведут себя как безмассовые частицы.

«При этом в фаграфене из-за разного числа атомов в кольцах конусы Дирака наклонены, поэтому скорость электронов в нем зависит от направления. В графене это не так. Это может быть очень интересно для будущих практических применений, где полезно варьировать скорость движения электронов», поясняет Артем Оганов.

Фаграфен имеет все другие свойства графена, которые позволяют рассматривать его как перспективный материал для гибких электронных устройств, транзисторов, солнечных батарей, дисплеев и много другого.

Статья:

Phagraphene: A Low-Energy Graphene Allotrope Composed of 5–6–7 Carbon Rings with Distorted Dirac Cones

DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02512

Темы: наука,