Ученые из Центра Абрикосова хотели выяснить, как длина углеродных цепочек и взаимодействие между ними определяют электронные и оптические свойства кристалла. Работа опубликована в журнале Physical Review B.
Два способа упаковки углеродных цепочек: AA без продольного сдвига и AB со сдвигом соседних цепочек на половину периода. Справа показаны чередующиеся связи и переходы электронов между цепочками / © Physical Review B
Исследователи построили трехмерную модель сильной связи. В ней энергетический спектр электронов рассчитывается в зависимости от вероятностей электронных прыжков между атомами внутри цепочек, а также между соседними цепочками. Параметры модели подобрали по результатам расчетов в рамках теории функционала плотности. Эта теория позволяет определить электронную структуру вещества по его атомному строению.

Физики рассмотрели две упаковки. В варианте AA соседние цепочки расположены без продольного сдвига. В варианте AB они смещены на половину периода чередования связей. Аналитическая модель воспроизвела рассчитанные электронные зоны для обеих геометрий, но переход при удлинении цепочек исследователи получили именно для упаковки AA.

В такой структуре конкурируют два эффекта. Ограниченная длина цепочки раздвигает разрешенные электронные уровни и помогает сохранять запрещенную зону. Связь между цепочками, напротив, сближает края зон. По мере удлинения нитей первый эффект ослабевает, и примерно при 42 атомах расчетный энергетический промежуток закрывается.

При дальнейшем удлинении цепочек в модели перекрываются валентная зона и зона проводимости. Именно исчезновение разделяющего их энергетического промежутка означает переход из полупроводника в полуметалл. Этот вывод получен из расчета электронной структуры.
Расчетный энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости уменьшается с ростом числа атомов в цепочке и исчезает около 42 атомов. Отрицательные значения на графике обозначают перекрытие зон. Красная кривая соответствует модели кристалла, фиолетовые данные — модели отдельной цепочки, черные точки показывают энергии оптических переходов, полученные из измерений свечения коротких цепочек. Граница около 42 атомов соответствует расчетному предсказанию перехода, а не его экспериментальному наблюдению. Синяя кривая показывает расчетную силу осциллятора / © Physical Review B
Число 42 относится к выбранной геометрии и параметрам модели, а не к любой углеродной нити. В частности, расчет для изолированной цепочки, использованный учеными для сравнения, не показал такого перехода. Значит, для результата важна не только длина, но и объединение цепочек в кристалл.

Электрические свойства и свечение связаны с электронной структурой материала — с тем, какие состояния и переходы доступны его электронам. Лазер передает материалу энергию, часть которой затем испускается в виде света. Измеряя энергию этого света и то, как быстро затухает свечение, исследователи получают сведения об излучательных переходах.

Поэтому для проверки модели авторы обратились к спектрам свечения карбина. Пики в этих спектрах — оптические резонансы — показывают характерные энергии излучения. Их изменение с длиной цепочек позволяет сопоставить наблюдения с расчетным описанием электронной структуры.

Для сопоставления с моделью авторы использовали ранее опубликованные результаты экспериментов своей научной группы на образцах с прямыми участками длиной 8–24 атома. Цепочки получали методом лазерной абляции в жидкости и стабилизировали золотыми наночастицами на концах. Затем образцы исследовали с помощью стационарной и временно-разрешенной фотолюминесцентной спектроскопии: измеряли спектр свечения и то, как оно затухало после возбуждения.

В этих экспериментах измерения проводили при температуре около −269°C, то есть 4 К, с лазерным возбуждением на длине волны 390 нм. При удлинении цепочек пики свечения смещались к меньшим энергиям, а само свечение затухало медленнее.