Электронные и оптические свойства графена

Графен — однослойный слой углерода с атомами, расположенными в двумерной гексагональной решетке. Его уникальные электронные свойства обусловлены:

Линейной дисперсией энергии электронов около точек Дирака (K и K’ в зоне Бриллюэна), где зоны валентности и проводимости касаются.
Отсутствием эффективной массы у носителей заряда, которые ведут себя как безмассовые фермионы с эффективной скоростью Ферми около 10^6 м/с.

Это приводит к релятивистскому поведению электронов, описываемому уравнением Дирака в двумерном пространстве.

Из-за высокой подвижности и необычной структуры зон, графен демонстрирует:

Квантовый эффект Холла при комнатной температуре, включая аномальный (полуцелочисленный) эффект.
Минимальную электропроводность при нулевой концентрации носителей, вызванную особенностями электронной структуры.
Высокую электронную подвижность (свыше 10^4 см²/(В·с)) при комнатной температуре.

Кроме того, влияние дефектов, примесей и взаимодействие с подложкой может сильно влиять на транспортные характеристики.

Графен обладает уникальными оптическими свойствами:

Абсорбция ~2.3% падающего света в широком диапазоне (от видимого до инфракрасного), что очень высоко для монослоя толщиной 0.34 нм.
Отсутствие оптического запрещенного окна, что позволяет графену быть прозрачным и при этом поглощать свет.
Возможность управления оптическими свойствами посредством электрического поля (эффект электропроводности и плазмонных резонансов).

Это делает графен перспективным для разработки ультратонких прозрачных электродов, фотодетекторов и оптоэлектронных устройств.

В графене наблюдаются коллективные колебания электронов — плазмоны, с уникальными характеристиками:

Высокая локализация и малая длина волны плазмонов по сравнению с классическими металлами.
Управляемость плазмонной частоты через уровень легирования (электрический ток или химический допинг).
Использование плазмонных свойств в нанооптике и нанофотонике для создания сверхчувствительных сенсоров и модулей преобразования света.

Электронные и оптические свойства графена сильно зависят от окружающей среды:

Подложки могут индуцировать локальный заряд, изменять подвижность и вызывать рассеяние.
Формирование многослойного графена приводит к изменению зонной структуры, переходу от линейной к параболической дисперсии и появлению новых электронных состояний.
Взаимодействия между слоями и с адсорбированными молекулами влияют на оптические переходы и электропроводность.

Благодаря исключительным электронным и оптическим характеристикам графен находит применение в:

Высокоскоростных транзисторах и логических элементах.
Гибкой электронике и прозрачных сенсорных панелях.
Фотонных устройствах — фотодетекторах, солнечных элементах.
Разработке новых материалов с комбинированными электронными и оптическими функциями.