نانوساختارهای گرافینی

گرافین، تک لایه ی اتمی از کربن با ساختار لانه زنبوری، که اخیراً به طور تجربی ساخته شده به دلیل طیف شبه نسبیتی و کیفیت بالای الکترونی آن در سالهای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. ویژگیهای ممتاز مکانیکی، شیمیایی و اپتیکی آن نیز بر میزان اهمیتش افزوده است. طیف الکترونی گرافین همانند یک شبه فلز، بدون گاف بوده و نوارهای رسانش و ظرفیت در گوشه های ناحیه ی اول بریلوئن موسوم به نقاط دیراک به هم می رسند. در نزدیکی این نقاط و به عبارتی در حد انرژیهای کم رابطه ی پاشندگی گرافین خطی بوده وبرانگیختگی های پایه به صورت فرمیونهای بدون جرم دیراک رفتار می کنند. طیف خاص و رفتار نسبیتی شبه ذرات موجب می شود که ویژگیهای ترمودینامیکی و ترابردی گرافین ممتاز و گاه منحصر به فرد باشد. این موضوع تاکنون در پدیده ها ی ترابردی چون اثر کوانتومی هال، افت و خیزهای جریان و رسانش الکترونیکی آشکارا مشاهده شده است. همچنین در مورد ساختارهای نانومقیاس مثل نانونوارهای گرافینی دیده شده که ویژگیهای هندسی و نوع لبه ها می تواند به شدت ساختار الکترونیکی را تحت تأثیر قرار دهد. در این رساله ترابرد الکترونی در نانوساختارهای گرافینی مورد بررسی قرار می گیرد. یکی از ویژگیهای بارز گرافین وجود رسانندگی غیرصفر و محدود در حد نقطه ی دیراک علیرغم صفر شدن چگالی حاملهای بار است. بررسیهای ما نشان داده که گرافین دولایه با رابطه ی پاشندگی متفاوت با تک لایه هم چنین رفتاری را دارد. به علاوه در دولایه به خاطر اعوجاج مثلثی طیف در انرژیهای کم، رسانندگی به طول و جهت گیری الکترودها نسبت به شبکه ی گرافین نیز وابسته می شود. نتایج ما نقش دستوارگی برانگیختگی ها را که در هر دو مورد گرافین تک لایه و دولایه وجود دارد در پدیده ی کمینه ی رسانندگی بیشتر آشکار می کند. بخش عمده ای از پایان نامه روی ساختارهای ناهم گون شامل گرافین ابررسانا، نرمال و نیز فرومغناطیس متمرکز است. در فصل مشترک ابررسانا با دیگر سیستم ها، پدیده ی بازتاب اندریف به جفتیدگی الکترون با حفره و اثر مجاورت داخل سیستم غیرابررسانا منجر می شود. مطالعات نشان داده که این پدیده در اتصالات ابررسانا-نرمال و ابررسانا-فرومغناطیس گرافینی ویژگیهای متمایزی نسبت به سیستم های مشابه دارد. به ویژه در مورد اتصال گرافینی ابررسانا و فرومغناطیس برخلاف انتظار معمول میدان تبادلی فرومغناطیس لزوماً بازتاب اندریف واثر مجاورت را تضعیف نمی کند و حتی گاه به اثری قوی تر می انجامد. به همین دلیل جریان جوزفسون عبوری از گرافین فرومغناطیس هم می تواند برخلاف حالت مرسوم بلندبرد باشد. همچنین با توجه به تغییر وادی حین بازتاب اندریف، ابرجریان در اتصالهای جوزفسون با نانونوارهای گرافینی به شدت از لبه ها متأثر می شود. این رفتار در ارتباط نزدیکی با اثر کنترل وادیها در لبه های زیگزاگ و پدیده ی کوانتش رسانش در نانونوارها قرار دارد. در پایان موضوع اپتیک الکترونی در گرافین را مورد مطالعه قرار می دهیم که مربوط به کنترل امواج الکترونی در اتصالات گرافینی است. ترابرد همدوس و بالستیک در گرافین تا طولهای بلند موجب می شود که بتوانیم امواج الکترونی را در هنگام عبور از ساختارهای p-n و یا ساختارهای نرمال-فرومغناطیس مانند نور عبوری از عدسیها کانونی و متمرکز کنیم. برای این منظور ما اتصال گرافینی با یک ناحیه ی فرومغناطیسی میانی را وقتی که انرژی تبادلی ناحیه ی فرومغناطیس بزرگتر از انرژی فرمی باشد، پیشنهاد می کنیم. در چنین شرایطی حاملهای بار با اسپین متفاوت داخل گرافین فرومغناطیس به نوارهای مختلفی (رسانش و ظرفیت) متعلق خواهند بود. از این رو این ساختار می تواند الکترونهای تزریقی از یک اتصال نقطه ای داخل یکی از نواحی نرمال را در طرف دیگر هم زمان کانونی و اسپین قطبیده گرداند. این اثر ضمن داشتن کاربردهایی احتمالی در ترابرد وابسته به اسپین (اسپیینترونیک)، متناظر الکترونی پدیده ی شکست منفی نور به صورت قطبیده در متامواد دستواره نیز هست.