Stærke bindinger mellem sjældne jordarters metaller og grafen

(PhysOrg.com) -- Transistorer og informationslagringsenheder bliver mindre og mindre. Men, at gå så lille som nanoskalaen, videnskabsmænd må forstå, hvordan blot nogle få atomer af metaller opfører sig, når de aflejres på en overflade.

Fysikere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory studerer samspillet mellem materialer, der er lovende til brug i nanoskalaelektronik:grafen og forskellige typer metaller. Holdet har opdaget, at de sjældne jordarters metaller dysprosium og gadolinium reagerer stærkt med grafen, mens bly ikke gør det.

Michael C. Tringides, en seniorfysiker i Ames Laboratory, og kolleger Myron Hupalo, en Ames Laboratory videnskabsmand, og Steven Binz, en kandidatstuderende i fysik, aflejret nogle få atomer af bly eller sjældne jordarters metaller på overfladen af ​​grafen, et et-atom tykt lag kulstof. I en proces kaldet selvsamling, atomerne bevæger sig af sig selv og danner øer eller glatte film på grafen. Tringides og holdet brugte derefter scanning tunneling mikroskopi til at studere øernes geometri.

"Vi ønskede at forstå, hvordan atomerne diffunderer, især hvor hurtigt, ” sagde Tringides. "I dette tilfælde, blyatomerne bevægede sig hurtigt, da vi kølede dem ned, mens dysprosium bevægede sig langsomt, selv efter at vi varmede dem op."

Hvor hurtigt eller langsomt atomerne bevæger sig og danner øer giver indsigt i, hvordan hvert materiale interagerer, eller deler elektroner, med grafen.

"Hvis atomerne bevæger sig hurtigt, det betyder, at du ikke har stærk interaktion, " sagde han. »Det er ligesom hockeypucke, der skimmer med på en skøjtebane. Der er lidt interaktion."

I tilfælde af dysprosium, de langsomt bevægende atomer tyder på, at metallet reagerer kraftigt med grafen. Gadolinium har en endnu stærkere interaktion. Samspillet er betydeligt, fordi udnyttelse af potentialet af grafen i elektronik vil kræve, at metaller fastgøres til grafen for at lede elektricitet.

"Håbet er, at grafen kan bruges til superhurtige transistorer, ” sagde Tringides. "Vores arbejde er relevant for dette, fordi når du sætter metal på grafen, du vil have rigtig god kontakt, så den elektriske modstand er lav."

Tringides siger også, at de sjældne jordarters øer på grafen er små magneter.

"Det viste sig, at disse øer var gode nanomagneter på grafen, ” sagde Tringides. "Du har en meget høj tæthed af nanomagneter. Jern har også en lignende høj ø-tæthed. Dette kan være nyttigt i fremtiden til brug af metaller på grafen i computerhukommelsen."

Ames Laboratorys teoretiske fysikere C.Z. Wang og Kai-Ming Ho samarbejdede om forskningen, ved hjælp af beregninger til at bekræfte de eksperimentelle resultater om bindingerne mellem grafen og de undersøgte metaller.

"Disse resultater er interessante for både den grundlæggende fysik og på grund af den potentielle nytte, ” sagde Tringides. "Når du siger 'nano, ' du kan lave meget af noget i en lille størrelse. Og det kan være meget gavnligt for noget som magnetisk computerhukommelse."

DOE's Office of Science finansierede forskningen, som er blevet rapporteret i journalen Avancerede materialer .