Undersøgelse af elektronbaner i flerlagsgrafen finder uventede energigab

Forskere har taget endnu et skridt mod at forstå grafens unikke og ofte uventede egenskaber, et todimensionelt kulstofmateriale, der har tiltrukket sig interesse på grund af dets potentielle anvendelser i fremtidige generationer af elektroniske enheder.

I 8. august forhåndsonlineudgaven af ​​tidsskriftet Naturfysik , forskere fra Georgia Institute of Technology og National Institute of Standards and Technology (NIST) beskriver for første gang, hvordan elektronernes kredsløb fordeles rumligt af magnetiske felter påført lag af epitaksial grafen.

Forskerholdet fandt også ud af, at disse elektronbaner kan interagere med det substrat, som grafenen dyrkes på, skabe energigab, der påvirker, hvordan elektronbølger bevæger sig gennem flerlagsmaterialet. Disse energihuller kan have konsekvenser for designere af visse grafen-baserede elektroniske enheder.

"Det regelmæssige mønster af energigab i grafenoverfladen skaber områder, hvor elektrontransport ikke er tilladt, " sagde Phillip N. Først, en professor ved Georgia Tech School of Physics og en af ​​papirets medforfattere. "Elektronbølger ville være nødt til at gå rundt i disse regioner, kræver nye mønstre af elektronbølgeinterferens. Det vil være vigtigt at forstå sådan interferens for tolags grafenenheder, der er blevet foreslået, og kan være vigtig for andre gitter-matchede substrater, der bruges til at understøtte grafen- og grafenenheder."

I et magnetfelt, en elektron bevæger sig i en cirkulær bane - kendt som en cyklotronbane - hvis radius afhænger af størrelsen af ​​magnetfeltet og elektronens energi. For et konstant magnetfelt, det er lidt som at rulle en marmor rundt i en stor skål, Først sagt.

"Ved høj energi, marmoren kredser højt i skålen, mens for lavere energier, kredsløbsstørrelsen er mindre og lavere i skålen, " forklarede han. "Cyklotronbanerne i grafen afhænger også af elektronenergien og det lokale elektronpotentiale - svarende til skålen - men indtil nu, banerne var ikke blevet afbildet direkte."

Placeret i et magnetfelt, disse baner driver normalt langs linjer med næsten konstant elektrisk potentiale. Men når en grafenprøve har små udsving i potentialet, disse "drifttilstande" kan blive fanget ved en bakke eller dal i materialet, der har lukket konstante potentielle konturer. Sådan indfangning af ladningsbærere er vigtig for kvante-Hall-effekten, hvor præcist kvantificeret modstand er resultatet af ladningsledning udelukkende gennem de baner, der springer langs materialets kanter.

Undersøgelsen fokuserede på en bestemt elektronbane:en nulenergibane, der er unik for grafen. Fordi elektroner er stofbølger, interferens i et materiale påvirker, hvordan deres energi forholder sig til bølgens hastighed - og reflekterede bølger tilføjet til en indkommende bølge kan kombineres for at producere en langsommere sammensat bølge. Elektroner, der bevæger sig gennem det unikke "kyllingetråds"-arrangement af carbon-carbon-bindinger i grafenen forstyrrer på en måde, der efterlader bølgehastigheden den samme for alle energiniveauer.

Ud over at opdage, at energitilstande følger konturer af konstant elektrisk potentiale, forskerne opdagede specifikke områder på grafenoverfladen, hvor elektronernes orbitale energi ændres fra et atom til det næste. Det skaber et energigab i isolerede pletter på overfladen.

"Ved at undersøge deres fordeling over overfladen for forskellige magnetiske felter, vi fastslog, at energigabet skyldes en subtil interaktion med substratet, som består af flerlagsgrafen dyrket på en siliciumcarbidwafer, "Først forklaret.

I flerlags epitaksial grafen, hvert lags symmetriske delgitter roteres lidt i forhold til det næste. I tidligere undersøgelser, forskere fandt ud af, at rotationerne tjente til at afkoble de elektroniske egenskaber af hvert grafenlag.

"Vores resultater rummer de første indikationer på en lille positionsafhængig interaktion mellem lagene, " sagde David L. Miller, avisens første forfatter og en kandidatstuderende i Firsts laboratorium. "Denne interaktion opstår kun, når størrelsen af ​​en cyklotronbane - som krymper, når magnetfeltet øges - bliver mindre end størrelsen af ​​de observerede pletter."

Oprindelsen af ​​den positionsafhængige interaktion menes at være "moiré-mønsteret" af atomare justeringer mellem to tilstødende lag af grafen. I nogle regioner, atomer i et lag ligger oven på atomer i laget nedenfor, mens i andre regioner, ingen af ​​atomerne flugter med atomerne i laget nedenfor. I endnu andre regioner, halvdelen af ​​atomerne har naboer i underlaget, et tilfælde, hvor carbonatomernes symmetri brydes, og Landau-niveauet - elektronernes diskrete energiniveau - opdeles i to forskellige energier.

Eksperimentelt, forskerne undersøgte en prøve af epitaksial grafen dyrket ved Georgia Tech i professor Walt de Heers laboratorium, ved hjælp af teknikker udviklet af hans forskerhold gennem de sidste mange år.

De brugte spidsen af ​​et specialbygget scanning-tunneling-mikroskop (STM) til at undersøge den elektroniske struktur af grafen i atomare skala i en teknik kendt som scanning-tunneling-spektroskopi. Spidsen blev flyttet hen over overfladen af ​​en 100 kvadrat nanometer sektion af grafen, og spektroskopiske data blev indhentet for hver 0,4 nanometer.

Målingerne er foretaget ved 4,3 grader Kelvin for at udnytte det faktum, at energiopløsningen er proportional med temperaturen. Scanning-tunnelmikroskopet, designet og bygget af Joseph Stroscio ved NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, brugte en superledende magnet til at tilvejebringe de magnetfelter, der er nødvendige for at studere banerne.

Ifølge First, undersøgelsen rejser en række spørgsmål til fremtidig forskning, herunder hvordan energigabet vil påvirke elektrontransportegenskaber, hvordan de observerede effekter kan påvirke foreslåede tolags grafen kohærente enheder - og om det nye fænomen kan kontrolleres.

"Denne undersøgelse er virkelig et springbræt på lang vej til at forstå subtiliteten af ​​grafens interessante egenskaber, " sagde han. "Dette materiale er anderledes end noget, vi har arbejdet med før inden for elektronik."