Слои нитрида бора взяли под контроль симметрию двухслойного графена во благо волитроники

Японские исследователи описали в различных конфигурациях гетероструктуру, состоящую из двухслойного графена и гексагонального нитрида бора, и нашли способ управлять ее симметрией и связанным с ней параметром — кривизной Берри. Такой материал может найти применение в перспективном направлении квантовой электроники — волитронике. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B.

Для увеличения эффективности работы современных микросхем ученые стараются сделать их компоненты как можно меньше. Однако уменьшать размер компонентов до бесконечности не позволяют физические ограничения, поэтому исследователи ищут альтернативные подходы к повышению производительности таких устройств, основанные на других физических принципах. Одно из таких направлений — волитроника, в которой в качестве «нулей» и «единиц» используются минимумы энергии — долины — электронов проводимости. Присутствие электрона в той или иной долине кодирует нуль или единицу. Электроны также могут перемещаться между долинами под действием квантового эффекта Холла, заключающегося в квантовании напряжения при протекании тока по образцу. Когда физики открыли этот вид эффекта Холла, они считали, что его движущая сила — сильное магнитное поле. 

Однако последующие исследования показали, что всему виной кривизна Берри — искусственный магнитный поток внутри материала, который создается благодаря движению заряженных частиц внутри кристаллической решетки. В отличие от магнитного поля, которое действует на материал извне, кривизна Берри действует изнутри, заставляя электроны в материале перескакивать между долинами. Этот параметр зависит в первую очередь от того, нарушается ли в материале симметрия относительно обращения времени и инверсии координат. Чем сильнее наблюдаемое нарушение этих симметрий, тем выше кривизна Берри и сильнее квантовый эффект Холла. 

Один из перспективных материалов для волитроники, в котором наблюдается высокая степень нарушения симметрии относительно инверсии координат — двухслойный графен. Однако этот материал оказался крайне чувствителен к примесным атомам, которые могут попадать в него из внешней среды. Для защиты двухслойного графена ученые ранее предложили использовать монослои гексагонального нитрида бора, которые, как и графен, состоят из связанных между собой шестиугольников. Благодаря полярности связей бора с азотом слой BN может отталкивать атомы примесей, препятствуя их сорбции графеном. Но до сих пор оставалось неясным, как добавление этих дополнительных слоев влияет на кривизну Берри двухслойного графена. 

Физики Японского национального института передовых промышленных наук и технологий под руководством старшего преподавателя Манохарана Муруганатана (Manoharan Muruganathan) исследовали гетероструктуры, состоящие из двух слоев графена и одного или двух слоев нитрида бора. Авторы экспериментировали с положением этих слоев друг относительно друга, в результате чего получали различные значения полярности и кривизны Берри. Исследователи показали, что для системы, в которой двухслойный графен помещен на монослой гексагонального нитрида бора, наблюдается повышение кривизны Берри, возникающее из-за нарушения симметрии инверсии координат. Этот экспериментальный факт ученые объяснили тем, что на внешние части графеновых слоев действуют различные силы, которые изменяют взаимную ориентацию слоев и, как следствие, симметрию.

При полной инкапсуляции графена в нитрид бора симметрия нарушается меньше, из-за чего кривизна Берри падает. Ученые также показали, что этим параметром можно управлять, изменяя ориентацию слоев нитрида бора в инкапсулированной системе. Так, например, самое низкое значение кривизны Берри наблюдается, когда атом бора верхнего слоя нитрида находится над атомом азота нижнего слоя. Затем авторы провели эксперименты с монослоем графена, но не выявили существенного увеличения кривизны Берри ни в одном из случаев. Это значит, что именно взаимодействие между двумя слоями графена обуславливает возникающее нарушение симметрии и изменение кривизны Берри.

Исследователи утверждают, что при использовании слоев нитрида бора для «защиты» двухслойного графена от внедрения примесей можно достаточно гибко контролировать такие параметры, как кривизна Берри и выраженность квантового эффекта Холла, которые важны для использования этого материала в волитронике. 

Использование двухслойных структур для создания волитронных устройств не ново. Американские ученые ранее смогли создать энергонезависимую память на основе диселенида вольфрама, помещенного на подложку из сульфида европия.

Никита Шевцев