Туннельный контакт помог изучить электронную структуру углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки — уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они активно исследуются в последние три десятилетия и могут применяться в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других.

Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свернутый в цилиндр лист графена, и в зависимости от того, как его свернуть (соединив противоположные ребра параллельно основной оси или же под углом, как бы спирально), можно менять ширину запрещенной зоны материала. В физике эта величина определяет проводимость электрического тока объектом.

Углеродные нанотрубки могут иметь полупроводниковые или металлические свойства, однако пока нет надежного способа получать конкретный их сорт, равно как нет и идеального подхода к определению ширины их запрещенной зоны. Традиционно применяется туннельная спектроскопия — дорогая и недостаточно точная методика.

В опубликованной работе ученые предложили технологичный и масштабируемый подход на основе туннельных контактов, в которых металл взаимодействовал с материалом через слой диэлектрика.

«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. “Классическая” частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика позволяет электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.

Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических (без диэлектрика) и двумя парами туннельных контактов. Ученые сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней металл через диэлектрик или напрямую. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.

«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.