Ученые рассчитали, как расположение электрических контактов меняет сигнал в диске из графена

Физики из МФТИ и Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН рассчитали, как расположение электрических контактов и магнитное поле влияют на ток в графеновом диске. Построенная ими модель показала, что при изменении этих параметров ток может попеременно усиливаться и ослабевать, а ток, вызванный разностью температур, может даже менять направление.

Чтобы использовать графен в электронных устройствах, нужно понимать, от чего зависит измеряемый сигнал. Он может меняться не только из-за свойств самого материала, но и из-за того, где расположены электрические контакты. Ученые исследовали эту зависимость, чтобы выяснить, как геометрия направляет движение заряда и влияет на электрический отклик, в том числе возникающий из-за разности температур.

Графен очень удобен для использования в электронных устройствах, потому что носители заряда в нем могут преодолевать микрометровые расстояния почти без рассеяния. Такой перенос называют баллистическим. В этих условиях особенно важно, куда направился электрон, сколько раз отразился от края и в какой контакт в итоге попал. Электрон при этом движется подобно бильярдному шару. Края образца играют роль бортов, а контакты — луз, в которые могут попасть частицы. Но есть отличие: магнитное поле искривляет траекторию электрона. Поэтому между отражениями он движется не по прямой, а по дуге. Цепочку таких дуг вдоль края физики называют прыгающей орбитой.

Исследователи рассмотрели диск с четырьмя контактами на границе. Через одни контакты задавали электрическое напряжение или разность температур, а между другими рассчитывали возникающий отклик. Круглую форму выбрали не случайно: она позволяет связать последовательные отражения простыми геометрическими соотношениями и определить, какие пути соединяют нужные контакты.

В первом варианте расчета движение заряда вызывали электрическим напряжением. Магнитное поле отклоняло носители заряда в сторону, и между боковыми контактами возникал поперечный электрический отклик. Это проявление эффекта Холла. Во втором варианте вместо напряжения задавали разность температур: один контакт был теплее остальных. Возникающий при этом поперечный электрический сигнал в магнитном поле связан с эффектом Нернста. Оба эффекта изучали локально — между конкретными контактами, а не в среднем по всему образцу. Ученые учитывали разные энергии и направления движения частиц, а также ширину контактов.

Расчеты показали, что при изменении магнитного поля или положения измерительных контактов сигнал попеременно усиливается и ослабевает. Это связано с траекториями носителей заряда. При определенных условиях частицы после нескольких отражений от края попадают в измерительный контакт — возникает геометрический резонанс. Стоит изменить магнитное поле — дуги изгибаются иначе, и эта группа частиц уже проходит мимо. При дальнейшем изменении поля к контакту подходят другие траектории. Аналогичный результат получается, если менять расположение самого контакта.

Исследователи также меняли заполнение электронных состояний, которое описывает параметр «химический потенциал». При усилении поля траектории закручивались теснее. Когда их характерный диаметр становился меньше ширины контакта, носители преимущественно попадали в ближайший контакт. В таком режиме колебания сигнала Холла сменялись почти постоянным значением — плато.

Особенно заметно геометрия влияла на эффект Нернста: вызванный разностью температур поперечный сигнал не только усиливался и ослабевал, но и менял знак. Для рассчитанного тока это означает смену направления. Ученые объясняют результат изменением соотношения вкладов электронов и дырок — незаполненных электронных состояний, которые ведут себя как носители положительного заряда. Магнитное поле отклоняет их в противоположные стороны, а геометрия поочередно усиливает вклад разных путей.

При моделировании ученые задали радиус диска равным 2,5 мкм, а ширину измерительных контактов — 160 нм. Температуру приняли равной 30 К, то есть примерно −243°C. По мнению исследователей, геометрические колебания сигнала могут сохраняться и при комнатной температуре. Для этого носители заряда должны проходить путь между контактами почти без рассеяния внутри материала. Такой перенос на микрометровых расстояниях ранее наблюдали при комнатной температуре в графене, заключенном между слоями нитрида бора.

«Изученное нами геометрическое управление баллистическим потоком создает платформу для изучения электронной гидродинамики и разработки фазово-когерентных устройств с возможными применениями в чувствительных терагерцевых детекторах и системах управления теплом», — прокомментировал результаты исследования один из его авторов, директор Международного центра теоретической физики им. А.А. Абрикосова МФТИ Алексей Кавокин.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания.

Источник: Официальный ресурс Министерства науки и высшего образования Российской Федерации