Romboéderes és hexagonális grafit lokális elektromos vezetőképességének vizsgálata atomerő-mikroszkóppal
A szén kétdimenziós változatának, a grafénnek a 2004-es előállításáért [1] és az azon végzett úttörő kísérletekért 2010-ben Nobel-díjat kapott André Geim és Konstantin Novoselov. Ezt követően, a 2D anyagok vizsgálata a kondenzált anyagok fizikájának egyik legfontosabb kutatási területévé vált. Az ilyen réteges anyagok fizikai tulajdonságok igen széles spektrumát tartalmazzák, találhatunk közöttük fémeket, félfémeket, félvezetőket, szupravezetőket, topologikus szigetelőket és egyéb egzotikus tulajdonságokkal rendelkező anyagcsoportokat. Az ilyen anyagokat megfelelő módon, rétegenként egymásra helyezve ezek a különleges tulajdonságok hangolhatók, így létrehozva új 2D elektronrendszereket. Ezen az új kutatási területnek még nagyon a kezdetén vagyunk, hiszen jelenleg a legegyszerűbb rendszerekben is fedezünk fel meglepő új jelenségeket. Ilyen rendszerek például a grafén rétegek különböző módon való egymásra helyezése, amelyre egy jó példák a grafit romboéderes és hexagonális módosulatai.
A grafitban a szénatomok méhsejtrács elrendezésben vannak, a grafén rétegeket pedig van der Waals-erők tartják össze. A legstabilabb a hexagonális kristályszerkezetű grafit, amelyet ABA, vagy Bernal rétegződésűnek is neveznek. Ebben felváltva követik egymást a grafén rétegek „A” és „B” pozícióban. Ezzel szemben, a romboéderes, vagy ABC rétegződésű grafit egy metastabil konfiguráció, amely sokkal ritkábban fordul elő. A romboéderes grafitnak különleges elektromos tulajdonságai vannak, például tartalmaz egy lapos sávot a Fermi-szinten, ami egy csúcsként jelenik meg az állapotsűrűségben. Ezen lapos sáv és a hozzá tartozó Fermi felület instabil elektron-elektron kölcsönhatások jelenlétében [2]. Ezáltal a romboéderes grafit az egyik legegyszerűbb korrelált elektron effektusokat mutató kristály, ideális modell rendszert képez a kölcsönható elektronrendszerek tanulmányozására.
Dolgozatomban a hexagonális – romboéderes grafit doménhatáron végzett vezető atomerő-mikroszkópiás (C-AFM: conductive atomic force microscopy) méréseim eredményét mutatom be. A kutatómunka eredményeképp megmutattam, hogy vezető AFM-el kísérletileg meg lehet különböztetni a hexagonális és romboéderes doméneket. A mérések során a romboéderes és hexagonális domének kontrasztját vizsgáltam a tű-minta közti feszültség függvényében. Méréseim során megfigyeltem egy kontraszt inverziót a hexagonális és romboéderes domének között, amelyet saját számításokkal modelleztem. Ehhez felhasználtam a két grafit módosulat sűrűségfunkcionál-elmélettel számolt állapotsűrűségét.
Munkám eredménye nagymértékben hozzájárul a vékonyrétegű grafitmintákban található ABA és ABC domének gyors kísérleti azonosításához, valamint a különböző doméneken vezető AFM-el végzett mérések eredményeinek megértéséhez.
Irodalom:
[1] Novoselov, K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666–669 (2004).
[2] Hagymási, I. et al. Observation of competing, correlated ground states in the flat band of rhombohedral graphite. Science Advances 8, eabo6879 (2022).
szerző
-
Varga Dóra
Fizika alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Kandrai Konrád
Tudományos Munkatárs, Nanoszerkezetek Laboratórium, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (MFA), Energiatudományi Kutatóközpont (EK), Magyar Kutatási Hálózat (HUN-REN) (külső)
