Семинар по физике конденсированного состояния вещества

Московский Государственный Университет
Физический факультет

10 октября 2018 г.

 

Валентин Юрьевич Качоровский

(Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург)

 

"Аномальная  эластичность  графена:  от  фазовых  переходов  к  гибкой электроникe"

 

Аннотация

 

Графен представляет собой знаменитый пример двумерной кристаллической мембраны толщиной в один атомный слой. Это чрезвычайно  прочный,  легкий и хорошо проводящий  материал из семейства углеродных соединений.  Настоящий доклад посвящен  анализу уникальных упругих свойств графена.  Эти свойства тесно связаны с вопросом о термодинамической устойчивости двумерных систем.  На самом деле, уже сам факт существования двумерной кристаллической  мембраны чрезвычайно удивителен, так как противоречит хорошо известному утверждению о  нестабильности  двумерных кристаллов. Действительно, тепловые флуктуации стремятся изогнуть мембрану и разрушить дальний порядок в системе. Существует, однако, конкурирующий эффект, благодаря которому мембрана может остаться термодинамически стабильной.  Оказывается, что  сильное ангармоническое взаимодействие между изгибными и продольными колебательными модами мембраны стремится стабилизировать двумерный кристалл. Таким образом,  ангармонические эффекты в графене  проявляют себя крайне необычно по сравнению с другими материалами.  В частности, благодаря ангармонизму, изгибная жесткость чистой изолированной мембраны, κ возрастает степенным образом  по мере увеличения размера системы L c некоторым показателем η: κ~Lη. Более того,  изолированные  пленки  графена могут демонстрировать ряд критических явлений, в том числе два фазовых перехода – переход из плоского в скомканное состояние  [crumpling transition (СТ)]  и переход, связанный с потерей устойчивости плоской фазы под действием внешнего сжатия [buckling transition (BT)]. Критические индексы этих переходов выражаются через показатель η, отвечающий за  ангармонические эффекты.

 

Оказывается, что СТ  в значительной степени аналогичен переходу магнетика в ферромагнитное состояние. При этом, в полной аналогии с магнетиком,   происходит спонтанное нарушение симметрии: сферически симметричная «скомканная фаза» переходит в плоское состояние с  некоторой произвольной ориентацией плоскости.   Удивительным образом, эффекты, связанные с СТ, существенно меняют упругие свойства мембраны   даже вдали от точки перехода, глубоко в плоской фазе.  Например, коэффициент теплового расширения оказывается отрицательным и с хорошей точностью постоянным вплоть до экстремально  малых температур. В настоящее время неизвестен материал, который обладал бы таким необычным свойством.  Не менее  необычными являются проявления BT.  В частности, оказывается, что  обычный  линейный закон Гука для кристаллической  мембраны не выполняется.  Растяжение изолированного листа графена растет с приложенным напряжением степенным образом, причем   показатель степени является критическим индексом ВТ. Существует  также  ряд  чрезвычайно интересных экспериментальных и численных результатов, которые  пока остаются  не вполне понятными. Например, до сих пор неясно, чему равен для графена  один из важнейших параметров любого материала – коэффициент Пуассона (отношение поперечного сжатия к продольному растяжению).  Даже знак этого коэффициента является предметом жарких дискуссий.

 

В настоящем докладе будут описаны наиболее интересные и необычные  упругие свойства  кристаллических мембран на основе графена, и представлен краткий обзор недавних экспериментальных и теоретических работ, посвященных анализу критического поведения таких мембран. Также мы обсудим возможность применения данных свойств в гибкой электронике.