Американские физики разработали новый метод визуализации зонной структуры двумерных слоев, находящихся довольно далеко от поверхности материала. Опубликованная в Science работа рассказывает о подходе, основанном на совмещении сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии. С помощью предложенного метода можно получать изображение электронной структуры полупроводниковых и проводящих материалов, а также исследовать взаимодействие электронов с кристаллической решеткой.
В кристаллической решетке полупроводникового или проводящего материала электроны отдельных атомов из-за взаимодействия друг с другом формируют сложные скоррелированные системы. Для удобства исследования таких систем энергетическое состояние электронов обычно рассматривают в пространстве энергия-импульс. Именно в таком представлении можно наблюдать образование энергетических зон в кристалле: зону проводимости и валентную зону. Форма этих зон является показателем электронных свойств кристалла — будет он проводником, полупроводником, или обладать какими-то необычными свойствами. Однако не для всех материалов существуют методы точного измерения зонной структуры. В частности, до сих пор не удавалось экспериментально исследовать энергетические зоны отдельных двумерных слоев внутри многослойных кристаллических структур, однако такие данные могли бы помочь ученым в создании многослойных структур с заданными электронными свойствами.
Американские физики под руководством Чжунхо Чжана (Joonho Jang) из Массачусетского технологического института разработали метод, с помощью которого можно получать изображение зонной структуры двумерных слоев внутри материала. Для этого они объединили методы сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Обычно фотоэлектронная спектроскопия используется для исследования зонной структуры поверхностей, а в случае однородности материала по ней можно восстановить зонную структуру вещества. В своей работе ученые предложили объединить ее с туннельной микроскопией, чтобы с помощью инжектированных туннельных электронов можно было изучать свойства слоев, находящихся в глубине материала. В качестве модельной системы для демонстрации работы предложенного подхода авторы работы изучили зонную структуру полупроводниковой пленки арсенида галлия.
В результате эксперимента ученым удалось не только получить изображение зонной структуры полупроводникового слоя, но и обнаружить при определенных внешних условиях необычные эффекты. В частности, при приложении перпендикулярного магнитного поля больше 5 тесла наблюдалось расщепление зоны проводимости. По словам ученых, раньше такой эффект никто не наблюдал. Обнаруженный эффект авторы исследования связывают с взаимодействием электронов с колеблющимися с увеличенной интенсивностью ионами решетки.
По словам ученых, предложенный метод можно использовать для изучения энергетических зон самых разнообразных двумерных кристаллических слоев: это могут быть не только полупроводники и проводящие материалы, но и материалы, которые не проводят электрический ток и в которых плотность носителей заряда равна нулю. Кроме того, с помощью предложенного метода можно получить информацию об эффектах взаимодействия электронов с другими квазичастицами: образование плазмонов и поляронов или взаимодействие электронов с фононами. Отдельным достоинством метода является возможность его использования при больших внешних магнитных полях.
Изучение зонной структуры двумерных материалов позволяет оценивать и предсказывать электронные свойства и более необычных кристаллов. В частности, по характеру перекрытия энергетических зон можно говорить о сверхпроводящих свойствах двумерных кристаллов.
Александр Дубов
