Германен

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Экспериментальное (слева) и смоделированное (справа) СТМ изображения германена на золоте[1]

Германе́н — материал, состоящий из одного слоя атомов германия, чья двумерная кристаллическая структура аналогична графену[2].

История получения[править | править код]

Структура германена обсуждалась с середины 1990-х годов[3], и её устойчивость (одновременно с силиценом) была предсказана в теоретической работе 2009 года[4], согласно которой германен представляет собой двумерные изогнутые слои. Также было показано, что носители заряда в германене описываются уравнением Дирака для безмассовых фермионов: закон дисперсии вблизи дираковских точек линеен и ширина запрещённой зоны равна нулю (германен — полуметалл). В 2013 году был получен германан[en], представляющий собой гидрогенизированный германен (назван аналогично графану, являющемуся гидрогенизированным графеном)[4].

Германен впервые получен в 2014 году двумя научными группами: европейской и китайской, работавшими независимо. Процесс его получения схож с процессом получением силицена и графена: для осаждения слоя германия на инертную подложку-основу используется глубокий вакуум и высокая температура. Европейская группа в качестве подложки использовала золото, китайская — платину[5].

Структура и свойства[править | править код]

Плёнки германена высокого качества имеют необычные двумерные структуры с новыми электронными свойствами, которые предположительно будут востребованы в полупроводниковой промышленности, научных исследованиях и квантовых компьютерах[6].

Кристаллическая решётка германена (как и в графене — шестиугольные «пчелиные соты»[7]) может быть представлена комбинацией двух взаимопроникающих эквивалентных кристаллических подрешёток Браве с элементарной ячейкой в форме параллелограмма. Такие структурные свойства ответственны за зонную структуру германена[7]. В отличие от графена, двумерные слои германена не сохраняют плоскую форму, а склонны изгибаться[8], чем он похож на силицен.

С точки зрения зонной теории, важным преимуществом над графеном является существующая возможность создания запрещённой зоны путём приложения электрического поля перпендикулярно поверхности материала, что открывает путь к созданию полевого транзистора, работающего при комнатной температуре[9]. Такой эффект можно объяснить тем, что кристаллическая решётка германена теряет симметрию своих подрешёток, которые под действием электрического поля становятся неэквивалентными[10]. Существуют расчёты, свидетельствующие в пользу возможности наблюдения в германене спинового эффекта Холла[11]. На основе вычислений при помощи теории функционала плотности показано, что германен должен сохранять высокую структурную стабильность при создании в нём механических напряжений[12]. Функционализированный германен является кандидатом в топологические изоляторы[13].

Возможные применения[править | править код]

Полевой транзистор из германена может найти широкое применение в электронике[9]. Существуют исследования, свидетельствующие в пользу возможности применения германена в производстве натрий-ионных аккумуляторов[14]. Терминированные водородом наноленты, изготовленные из германена, являются перспективным материалом для спинтроники[15].

Примечания[править | править код]

  1. Dávila M E, Xian L, Cahangirov S, Rubio A, Le Lay G. Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene // New Journal of Physics. — 2014. — 9 сентября (т. 16, № 9). — С. 095002. — ISSN 1367-2630. — doi:10.1088/1367-2630/16/9/095002. [исправить]
  2. Давыдов С.Ю. "Об оценках температуры плавления графеноподобных соединений". Физика и техника полупроводников. ФТИ им. А.Ф.Иоффе (19 ноября 2015). Дата обращения: 15 января 2020. Архивировано 18 сентября 2019 года.
  3. Kyozaburo Takeda, Kenji Shiraishi. Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite (англ.) // Physical Review B. — 1994-11-15. — Vol. 50, iss. 20. — P. 14916–14922. — ISSN 1095-3795 0163-1829, 1095-3795. — doi:10.1103/PhysRevB.50.14916.
  4. 1 2 S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Aktürk, H. Şahin, S. Ciraci. Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium (англ.) // Physical Review Letters. — 2009-06-12. — Vol. 102, iss. 23. — P. 236804. — ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114. — doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804.
  5. Ребекка Каплан. Germanene: Graphene 'cousin' synthesized, using gold substrate (англ.). Tech Times (11 сентября 2014). Дата обращения: 23 сентября 2014. Архивировано 14 сентября 2014 года.
  6. Из германия с участием физиков Германии создан германен Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine (рус.) на сайте lenta.ru, 10 сентября 2014
  7. 1 2 Юрий Ефремович Лозовик, С. П. Меркулова, А. А. Соколик. Коллективные электронные явления в графене // Успехи физических наук. — 2008-07-01. — Т. 178, вып. 7. — С. 757–776. — ISSN 0042-1294. Архивировано 7 августа 2020 года.
  8. M E Dávila, L Xian, S Cahangirov, A Rubio, G Le Lay. Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene // New Journal of Physics. — 2014-09-09. — Т. 16, вып. 9. — С. 095002. — ISSN 1367-2630. — doi:10.1088/1367-2630/16/9/095002.
  9. 1 2 Zeyuan Ni, Qihang Liu, Kechao Tang, Jiaxin Zheng, Jing Zhou. Tunable Bandgap in Silicene and Germanene (англ.) // Nano Letters. — 2012-01-11. — Vol. 12, iss. 1. — P. 113–118. — ISSN 1530-6992 1530-6984, 1530-6992. — doi:10.1021/nl203065e. Архивировано 29 сентября 2019 года.
  10. T.P. Kaloni, U. Schwingenschlögl. Stability of germanene under tensile strain (англ.) // Chemical Physics Letters. — 2013-09. — Vol. 583. — P. 137–140. — doi:10.1016/j.cplett.2013.08.001. Архивировано 15 января 2020 года.
  11. A Acun, L Zhang, P Bampoulis, M Farmanbar, A van Houselt. Germanene: the germanium analogue of graphene // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2015-11-11. — Т. 27, вып. 44. — С. 443002. — ISSN 1361-648X 0953-8984, 1361-648X. — doi:10.1088/0953-8984/27/44/443002.
  12. T. P. Kaloni, G. Schreckenbach, M. S. Freund, U. Schwingenschlögl. Current developments in silicene and germanene (англ.) // physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters. — 2016. — Vol. 10, iss. 2. — P. 133–142. — ISSN 1862-6270. — doi:10.1002/pssr.201510338. Архивировано 15 января 2020 года.
  13. Chen Si, Junwei Liu, Yong Xu, Jian Wu, Bing-Lin Gu. Functionalized germanene as a prototype of large-gap two-dimensional topological insulators // Physical Review B. — 2014-03-24. — Т. 89, вып. 11. — С. 115429. — doi:10.1103/PhysRevB.89.115429.
  14. Bohayra Mortazavi, Arezoo Dianat, Gianaurelio Cuniberti, Timon Rabczuk. Application of silicene, germanene and stanene for Na or Li ion storage: A theoretical investigation (англ.) // Electrochimica Acta. — 2016-09. — Vol. 213. — P. 865–870. — doi:10.1016/j.electacta.2016.08.027. Архивировано 15 января 2020 года.
  15. Yangyang Wang, Jiaxin Zheng, Zeyuan Ni, Ruixiang Fei, Qihang Liu. HALF-METALLIC SILICENE AND GERMANENE NANORIBBONS: TOWARDS HIGH-PERFORMANCE SPINTRONICS DEVICE (англ.) // Nano. — 2012-10. — Vol. 07, iss. 05. — P. 1250037. — ISSN 1793-7094 1793-2920, 1793-7094. — doi:10.1142/S1793292012500373. Архивировано 15 января 2020 года.