Один слой атомов — и электроны в ловушке. Два слоя — и у них появляется выход. Физики объяснили странный эффект графена

Детализированные изображения с электронного микроскопа, показывающие крыло бабочки или вирус, создаются благодаря физическому явлению — эмиссии вторичных электронов. Упрощенно говоря, прибор бомбардирует образец пучком высокоэнергетических частиц, а в ответ поверхность испускает поток низкоэнергетических электронов. Именно их и улавливает детектор, формируя изображение.

Энергетический спектр этих вторичных электронов долго считали неинформативным. Он выглядел как простой шум — широкий, гладкий пик на графике. Из него было почти невозможно получить данные о материале. Но одно исключение изменило это мнение.

Один материал показывал другое поведение. Это был графит, состоящий из множества слоев графена. В его спектре вторичных электронов был виден ясный, острый пик на энергии 3.3 электрон-вольта. Причина его появления была неизвестна. Еще более странным было его отсутствие у одного слоя графена. Новая работа в Physical Review Letters объясняет это явление. Важны не доступные для электронов состояния внутри вещества, а наличие для них выхода.

Увидеть невидимое

Чтобы отделить полезный сигнал от шума, ученые использовали метод детектирования совпадений. Вместо того чтобы регистрировать все вылетающие электроны, они фиксировали только связанные пары. Каждая пара состояла из первичного электрона, который потерял энергию, и вторичного электрона, который был выбит. Этот подход позволил отфильтровать фоновый шум и получить ясные спектры для трех материалов:

• Однослойный графен (SLG): спектр был почти плоским, без каких-либо пиков.
• Двухслойный графен (BLG): появился ясный пик на энергии 7.7 эВ.
• Графит (HOPG), многослойная структура: наблюдался сильный пик на 3.3 эВ.

Результаты породили новый вопрос. Почему всего один дополнительный слой графена так сильно менял спектр?

Простое объяснение не подходит

Первое предположение было простым. Возможно, у графита и двухслойного графена больше свободных электронных состояний на этих энергиях. Электронное состояние — это свободный энергетический уровень, который может занять возбужденный электрон. Если на какой-то энергии много таких свободных уровней, оттуда должно вылетать больше электронов.

Это предположение оказалось неверным. Теоретические расчеты показали другое — все три материала имели много доступных состояний около энергии 3.3 эВ. Это показало, что одного лишь наличия свободного уровня мало. Электрону нужно не только занять этот уровень, но и иметь возможность покинуть материал. Требовался эффективный путь для выхода.

«Дверные» состояния

Исследование представляет концепцию «дверных» состояний. Это особые возбужденные состояния внутри материала. Они отличаются сильной квантово-механической связью с вакуумом. Эти состояния работают как каналы, или «двери», позволяя электронам легко покидать поверхность.

Ключевое открытие: эти «двери» формируются между слоями графена. Этот факт полностью объясняет экспериментальные данные.

• Однослойный графен: у него нет межслоевого пространства, поэтому «дверные» состояния отсутствуют. Электроны возбуждаются, но остаются внутри. Эмиссия получается слабой и без четких пиков.
• Двухслойный графен: появляется пространство между двумя слоями. Это создает «дверь» на энергии 7.7 эВ. Электроны начинают выходить через этот канал, создавая пик в спектре.
• Графит: большое количество слоев формирует развитую систему межслоевых связей. Это открывает эффективную «дверь» на 3.3 эВ. Выход через этот канал становится настолько сильным, что подавляет другие. Для его появления нужно примерно пять слоев графена.

Следовательно, число слоев определяет, какие каналы для выхода электронов активны. Увеличение числа слоев открывает новые, более эффективные пути для эмиссии.

Как это поможет в изучении материалов?

Эта работа объясняет возникновение «Х-пика» в графите и предлагает новый метод изучения электронных процессов в двумерных материалах.

Чтобы понять внутренние процессы в слоистой структуре, полезно изучать частицы, которые она испускает. Спектр вторичных электронов, ранее считавшийся шумом, может стать полезным инструментом. Он показывает не только наличие энергетических уровней, а их функцию как связующего звена между материалом и вакуумом.

Этот же принцип должен работать для других слоистых материалов. Анализ их «дверных» состояний дает способ изучать физику межслоевых взаимодействий. Эти взаимодействия определяют электронные и оптические свойства материалов.