To grafenlag kan være bedre end ét

(PhysOrg.com) - Forskere ved National Institute of Standards and Technology har vist, at de elektroniske egenskaber af to lag grafen varierer på nanometerskalaen. De overraskende nye resultater afslører, at ikke kun forskellen i styrken af ​​de elektriske ladninger mellem de to lag varierer på tværs af lagene, men de vender faktisk også i fortegn for at skabe tilfældigt fordelte vandpytter af skiftende positive og negative ladninger. Rapporteret i Naturfysik , de nye målinger bringer grafen et skridt tættere på at blive brugt i praktiske elektroniske enheder.

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, er værdsat for sine bemærkelsesværdige egenskaber, ikke mindst den måde, den leder elektroner på ved høj hastighed. Imidlertid, manglen på det, fysikere kalder et båndgab - en energisk tærskel, der gør det muligt at tænde og slukke for en transistor - gør grafen uegnet til digitale elektroniske applikationer.

Forskere har vidst, at tolagsgrafen, bestående af to stablede grafenlag, fungerer mere som en halvleder, når den er nedsænket i et elektrisk felt.

Ifølge NIST-forsker Nikolai Zhitenev, båndgabet kan også dannes af sig selv på grund af variationer i pladernes elektriske potentiale forårsaget af interaktioner mellem grafenelektronerne eller med substratet (normalt et ikke-ledende, eller isoleringsmateriale), som grafenen er placeret på.

NIST-stipendiat Joseph Stroscio siger, at deres målinger indikerer, at interaktioner med det uordnede isolerende substratmateriale forårsager puljer af elektroner og elektronhuller (dybest set, fraværet af elektroner) til at dannes i grafenlagene. Både elektron- og hul "puljer" er dybere på bundlaget, fordi det er tættere på substratet. Denne forskel i "pool" dybder, eller ladningstæthed, mellem lagene skaber det tilfældige mønster af vekslende ladninger og det rumligt varierende båndgab.

Manipulering af substratets renhed kunne give forskere en måde at fint kontrollere grafens båndgab og kan i sidste ende føre til fremstilling af grafenbaserede transistorer, der kan tændes og slukkes som en halvleder.

Stadig, som vist i gruppens tidligere arbejde, mens disse substratinteraktioner åbner døren til grafens brug som et praktisk elektronisk materiale, de sænker vinduet på fart. Elektroner bevæger sig ikke så godt gennem substratmonteret dobbeltlagsgrafen; imidlertid, dette kan sandsynligvis blive kompenseret for ved at konstruere grafen/substrat-interaktionerne.

Stroscios team planlægger yderligere at udforske den rolle, som substrater kan spille i skabelsen og kontrollen af ​​båndhuller i grafen ved at bruge forskellige substratmaterialer. Hvis substratinteraktionerne kan reduceres tilstrækkeligt, siger Stroscio, de eksotiske kvanteegenskaber af tolagsgrafen kan udnyttes til at skabe en ny kvantefelteffekttransistor.