Введение к работе
Актуальность проблемы. Проводящие свойства твердых тел являются предметом пристального научного и технологического интереса на протяжении последних трех-четырех столетий. Физика последних десяти лет, благодаря стремительному развитию технологий, - это главным образом физика полупроводниковых низкоразмерных структур (наноструктур). В наноструктурах движение носителей заряда ограничено хотя бы вдоль одной из координат, что приводит к размерному квантованию, которое кардинально меняет энергетический спектр носителей заряда, фононов, квазичастиц, и возникновению целого ряда новых физических явлений и свойств наноструктур.
Необходимо отметить, что углеродные наноматериалы (нанотрубки и, особенно, графен) обладают уникальным набором свойств, что делает их весьма перспективными для современной микро- и наноэлектроники (создание транзисторов, нанодиодов, логических схем, элементов памяти и др.) [1].
Важное достоинство наноструктур связано с тем, что, изменяя геометрические размеры и конфигурацию нанообъектов, можно влиять на свойства системы и даже управлять ими [2]. Открывается широкая перспектива конструирования параметров наноструктур и прежде всего энергетического спектра носителей заряда, а следовательно, и электрофизических свойств нанообъектов.
Целью работы является исследование проводимости идеального, модифицированного графена и углеродных нанотрубок, а также изучение возможности существования аналогов фазовых переходов в данных структурах. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
Разработка моделей углеродных структур для исследования явления абсолютной отрицательной проводимости.
Изучение спонтанного возникновения поперечного электрического ПОЛЯ в графене и углеродных нанотрубках.
Разработка методов расчета вольтамперных и гаусс-амперных характеристик углеродных наноструктур.
Исследование проводящих и нелинейных свойств искривленных углеродных наноструктур.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
Предложен метод расчета вольтамперной характеристики графена на основании метода «среднего электрона» с учетом минимума энергии в нескольких дираковских точках.
Обнаружен эффект абсолютной отрицательной проводимости в графене в присутствии внешнего магнитного поля.
Установлена возможность спонтанного возникновения электрического поля в углеродных нанотрубках и графене в присутствии внешних полей.
Предложен метод вычисления электронного спектра искривленного графена, а также способ расчета вольтамперной характеристики наноконтактов.
Методы исследований и достоверность результатов. Достоверность
полученных результатов обеспечивается использованием в работе
современных, хорошо изученных методов математической и теоретической
физики, численного моделирования, соблюдением пределов применимости
реализуемых моделей и приближений, качественным и количественным
совпадением полученных результатов с существующими
экспериментальными данными.
Научная и практическая ценность работы. В диссертационной работе изучены новые физические объекты (нанотрубки на основе углерода, однослойный и двухслойный графен, графеновые наноленты), интересные как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения практических приложений. Установлены закономерности ряда явлений - абсолютной отрицательной проводимости углеродных нанотрубок и графена, аналога фазового перехода в этих наноструктурах, возможности генерации терагерцевых импульсов в биграфене и искривленном графене. Полученные результаты могут быть использованы для разработки устройств генерации терагерцевого излучения, при создании волноводов, конструировании туннельных диодов на основе этих структур.
На защиту выносятся следующие положения:
При приложении к графену, рассматриваемому в рамках модели Хаббарда, переменного электрического и постоянного магнитного полей может наблюдаться эффект абсолютной отрицательной проводимости.
В условиях абсолютной отрицательной проводимости в графене величина тока слабо зависит от напряженности магнитного поля и определяется величиной напряженности переменного электрического ПОЛЯ.
Если графен, рассматриваемый в рамках модели Хаббарда, находится в скрещенных переменном электрическом и постоянном магнитном полях,
то при определенных значениях амплитуд напряженности электрического поля возможно спонтанное возникновение поперечного электрического
ПОЛЯ.
4. При приложении к контакту графеновых нанолент с металлом и квантовыми точками напряжения наблюдается асимметричность поведения тока, определяемая данным напряжением.
Апробация результатов. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях, в том числе на 5-ой Международной научной школе «Наука и инновации 2010» (г. Йошкар-Ола, 18-24 июля 2010 г.); Международной конференции «Central European Conference on Photochemistry» (Bad Hofgastein, Austria, 7-11 February 2010); Международной конференции «Nanomeeting-2011» (Minsk, Belarus, 24-27 May 2011); XIII Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (г. Звенигород, 23-28 мая 2011 г.), а также на конференциях и научных семинарах ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный университет».
Диссертационное исследование выполнено в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 04-03-96501, 07-03-96604, 08-02-00663, 11-02-97054), а также в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (государственного контракта Министерства образования и науки РФ № П892 от 18.08.2009 г.).
Личный вклад автора. Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором. Постановка задачи, выбор направления и методов исследований осуществлялись автором совместно с научным руководителем, а анализ и интерпретация результатов расчетов проведен совместно с научным руководителем и профессором, д.ф.-м.н. М.Б. Белоненко. Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве с научным руководителем и профессором, д.ф.-м.н. М.Б. Белоненко. Результаты п.п. 2.2 и 3.2 получены совместно с А.В. Пак. Автор самостоятельно проводил теоретические расчеты, разрабатывал вычислительные программы для ЭВМ, обрабатывал результаты численных расчетов, принимал активное участие в написании статей и апробации результатов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 155 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем составляет 118 страниц, включая 44 рисунка.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 18 работ, в том числе 9 статей в журналах из списка ВАК РФ.
