Grafen viser mærkelig ny adfærd, der er bedre egnet til elektroniske enheder

Anses som en mulig erstatning for siliciumbaserede halvledere, grafen, et ark rent kulstof, er blevet opdaget at have en usædvanlig og forbløffende egenskab, der kan gøre den bedre matchet til fremtidige elektroniske enheder.

Fysikere ved University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) har fundet ud af at strække grafen på en bestemt måde producerer nanobobler, tvinger elektroner til at opføre sig, som om et stærkt magnetfelt bevæger dem.

I stedet for at bruge energibånd, som i uanstrengt grafen, elektronerne i hver enkelt nanoboble spirerer ind i kvantiserede energiniveauer. "Energiniveauerne er identiske med dem, en elektron ville optage, hvis den bevægede sig i cirkler i et meget stærkt magnetfelt; så højt som 300 tesla, som er større end noget laboratorium kan producere undtagen i korte eksplosioner, " sagde Michael Crommie, professor i fysik ved UC Berkeley og fakultetsforsker ved LBNL. "Dette giver os et nyt greb om, hvordan vi kontrollerer, hvordan elektroner bevæger sig i grafen, og dermed kontrollere grafens elektroniske egenskaber, gennem belastning. Ved at kontrollere, hvor elektronerne samler sig og med hvilken energi, du kan få dem til at bevæge sig lettere eller mindre let gennem grafen, træde i kræft, kontrollere deres ledningsevne, optiske eller mikrobølgeegenskaber. Kontrol af elektronbevægelse er den mest essentielle del af enhver elektronisk enhed."

Mens Jordens magnetfelt på jordniveau er 31 mikrotesla, magnetiske resonanskameraer bruger magneter på mindre end 10 tesla. Crommie og kolleger vil rapportere opdagelsen i 30. juli-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab .

Crommie er ivrig efter at bruge grafens unormale egenskaber til at undersøge, hvordan elektroner fungerer i felter, indtil nu, ikke er anskaffet i laboratoriet, på trods af opdagelsens tekniske implikationer. "Når du skruer op for et magnetfelt, begynder du at se meget interessant adfærd, fordi elektronerne spinder i små cirkler, " sagde han. "Denne effekt giver os en ny måde at fremkalde denne adfærd på, selv i fravær af et egentligt magnetfelt."

Blandt den mærkelige adfærd, der observeres af elektroner i stærke magnetiske felter, er kvante-Hall-effekten og fraktioneret kvante-Hall-effekt, ved lave temperaturer falder elektroner også ind i kvantiserede energiniveauer.

Opdaget ved et uheld, den nye effekt blev fundet, da en postdoc-forsker fra UC Berkeley og studerende i Crommies laboratorium dyrkede grafen på overfladen af ​​en platinkrystal. Meget ligesom kyllingetråd, grafen er et et atom-tykt ark af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet mønster. Når de dyrkes på platin, kulstofatomerne er ikke på linje med metaloverfladens trekantede krystalstruktur. det her, på tur, skaber et deformationsmønster i grafenet, som om det blev trukket fra tre forskellige retninger.

"Stammen producerer små, hævede trekantede grafenbobler 4 til 10 nanometer på tværs, hvor elektronerne optager diskrete energiniveauer i stedet for de brede, kontinuerlig række af energier tilladt af båndstrukturen af ​​uanstrengt grafen. Denne nye elektroniske adfærd blev detekteret spektroskopisk ved scanning tunneling mikroskopi. Disse såkaldte Landau-niveauer minder om de kvantificerede energiniveauer af elektroner i den simple Bohr-model af atomet, " sagde Crommie.

Først forudsagt for kulstof nanorør i 1997 af Charles Kane og Eugene Mele fra University of Pennsylvania, var udseendet af et pseudomagnetisk felt som reaktion på belastning i grafen. Nanorør er blot en sammenrullet form for grafen.

Imidlertid, inden for det seneste år, Francisco Guinea fra Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid i Spanien, Mikhael Katsnelson fra Radboud University of Nijmegen, Holland, og A.K. Geim fra University of Manchester, England forudsagde en pseudo-kvante Hall-effekt i anstrengt grafen. Det er den samme kvantisering, som Crommies forskergruppe har observeret. Besøger Crommies laboratorium på opdagelsestidspunktet, Boston University fysiker, Antonio Castro Neto, genkendte straks dataens implikationer. Efterfølgende eksperimenter bekræftede, det afspejlede pseudo-kvante Hall-effekten som forudsagt.

"Teoretikere hænger ofte fast i en idé og udforsker den teoretisk, selv før eksperimenterne er udført, og nogle gange kommer de med forudsigelser, der umiddelbart virker lidt skøre. Det, der er så spændende nu, er, at vi har data, der viser, at disse ideer ikke er så skøre, " sagde Crommie. "Observationen af ​​disse gigantiske pseudomagnetiske felter åbner døren til rumtemperatur-straintronics, ' ideen om at bruge mekaniske deformationer i grafen til at konstruere dens opførsel til forskellige elektroniske enhedsapplikationer."

Crommie bemærkede også, de "pseudomagnetiske felter" inde i nanoboblerne er høje nok til, at energiniveauerne er adskilt af hundredvis af millivolt, hvilket er meget højere end stuetemperatur. Selv ved stuetemperatur, termisk støj ville ikke forstyrre denne effekt i grafen. Imidlertid, nanobobleforsøgene udført i Crommies laboratorium blev udført ved meget lave temperaturer.

Elektroner, der bevæger sig i et magnetfelt, vil normalt cirkle rundt om feltlinjerne, men inden for de anstrengte nanobobler, elektronerne cirkler i grafenarkets plan. Det er som om et stærkt magnetfelt blev påført vinkelret på arket, selv når der ikke er noget egentligt magnetfelt. "Tilsyneladende, "Crommie sagde, "det pseudomagnetiske felt påvirker kun bevægelige elektroner og ikke andre egenskaber ved elektronen, såsom spin, som er påvirket af rigtige magnetiske felter."