Sondering af atomær kyllingetråd

(PhysOrg.com) -- Graphene, materialet, der udgør blyant "bly, "kan en dag gøre elektroniske enheder mindre, hurtigere og mere energieffektiv. Giver den første detaljerede analyse af grafen på bornitrid, et UA-ledet hold af fysikere har gjort lovende opdagelser.

Grafen - et ark af kulstofatomer forbundet i en sekskantet, kyllingetrådsstruktur – lover godt for mikroelektronik. Kun et atom tykt og stærkt ledende, grafen kan en dag erstatte konventionelle silicium mikrochips, gøre enheder mindre, hurtigere og mere energieffektiv.

Ud over potentielle anvendelser i integrerede kredsløb, solceller, miniaturiserede bioenheder og gasmolekylesensorer, materialet har tiltrukket sig fysikeres opmærksomhed for dets unikke egenskaber ved at lede elektricitet på atomniveau.

Ellers kendt som blyant "bly, "grafen har meget lille modstand og tillader elektroner at opføre sig som masseløse partikler som fotoner, eller lette partikler, mens du rejser gennem det sekskantede gitter ved meget høje hastigheder.

Studiet af de fysiske egenskaber og potentielle anvendelser af grafen, imidlertid, har lidt af mangel på egnede bærematerialer, der kan understøtte et fladt grafenlag uden at forstyrre dets elektriske egenskaber.

Forskere ved University of Arizonas fysikafdeling sammen med samarbejdspartnere fra Massachusetts Institute of Technology og National Materials Science Institute i Japan har nu taget et vigtigt skridt fremad mod at overvinde disse forhindringer.

De fandt ud af, at ved at placere grafenlaget på et materiale, der var næsten identisk i struktur, i stedet for den almindeligt anvendte siliciumdioxid, der findes i mikrochips, de kunne forbedre dets elektroniske egenskaber betydeligt.

Erstatning af siliciumwafers med bornitrid, en grafenlignende struktur bestående af bor- og nitrogenatomer i stedet for kulstofatomerne, gruppen var den første til at måle topografien og de elektriske egenskaber af det resulterende glatte grafenlag med atomopløsning.

Resultaterne offentliggøres i forhåndsudgivelsen af ​​online Naturmaterialer .

"Strukturelt set bornitrid er grundlæggende det samme som grafen, men elektronisk, det er helt anderledes, " sagde Brian LeRoy, en adjunkt i fysik og seniorforfatter til undersøgelsen. "Graphene er en dirigent, bornitrid er en isolator."

"Vi vil have vores grafen til at sidde på noget isolerende, fordi vi er interesserede i at studere grafenens egenskaber alene. For eksempel, hvis du vil måle dens modstand, og du sætter det på metal, du vil bare måle modstanden af ​​metallet, fordi det vil lede bedre end grafen."

I modsætning til silicium, som traditionelt bruges i elektronikapplikationer, grafen er et enkelt ark af atomer, gør det til en lovende kandidat i jagten på stadig mindre elektroniske enheder. Tænk at gå fra en paperback til et kreditkort.

"Det er så lille, som du kan krympe det ned, " sagde LeRoy. "Det er et enkelt lag, du får aldrig et halvt lag eller sådan noget. Man kan sige, at grafen er det ultimative til at gøre det lille, men det er stadig en god dirigent."

Stablet på hinanden, 3 millioner ark grafen ville kun svare til 1 millimeter. Jordens tyndeste materiale, graphene bragte Nobelprisen i 2010 til Andre Geim og Konstantin Novoselov, som var i stand til at demonstrere dens exceptionelle egenskaber i forhold til kvantefysik.

"Ved brug af et scanningstunnelmikroskop, vi kan se på atomer og studere dem, " tilføjede han. "Når vi sætter grafen på siliciumoxid og ser på atomerne, vi ser bump, der er omkring en nanometer i højden."

Mens en nanometer - en milliardtedel af en meter - måske ikke lyder af meget, til en elektron, der suser med i et gitter af atomer, det er noget af et bump på vejen.

"Det er dybest set som et stykke papir, der har små krøller i sig, " LeRoy forklarer. "Men hvis du lægger papiret, i dette tilfælde grafen, på bornitrid, det er meget fladere. Det udjævner bumpene med en størrelsesorden."

LeRoy indrømmer, at den anden effekt opnået af hans forskerhold er lidt sværere at forklare.

"Når du har grafen siddende på siliciumoxid, der er fanget elektriske ladninger inde i siliciumoxidet nogle steder, og disse inducerer en vis ladning i den overliggende grafen. Du får en del variation i tætheden af ​​elektroner. Hvis grafen sidder på bornitrid, variationen er to størrelsesordener mindre."

I sit laboratorium, LeRoy demonstrerer det første – og overraskende lavteknologiske – trin i karakteriseringen af ​​grafenprøverne:Han placerer en lille flage af grafit – de ting, der udgør blyant-"bly" – på klæbende tape, folder det tilbage på sig selv og piller det fra hinanden igen, i en proces, der minder om en Rorschach-test.

"Du folder det her på midten, " forklarede han, "og igen, og igen, indtil den bliver tynd. Grafen ønsker at skrælle af i disse lag, fordi bindingerne mellem atomerne i det vandrette lag er stærke, men svag mellem atomer, der tilhører forskellige lag. Når du sætter dette under et optisk mikroskop, der vil være regioner med en, to, tre, fire eller flere lag. Så søger du bare efter enkeltlags ved hjælp af mikroskopet."

"Det er svært at finde prøven, fordi den er meget, meget lille, " sagde Jiamin Xue, en ph.d.-studerende i LeRoys laboratorium og avisens førende forfatter. "Når vi har fundet det, vi sætter det mellem to guldelektroder, så vi kan måle konduktansen."

For at måle topografien af ​​grafenoverfladen, holdet bruger et scanning tunneling mikroskop, som har en ultrafin spids, der kan flyttes rundt.

"Vi flytter spidsen meget tæt på grafenen, indtil elektroner begynder at tunnelere til det, " Xue forklarede. "Det er sådan, vi kan se overfladen. Hvis der er et bump, spidsen bevæger sig lidt op."

Til den spektroskopiske måling, Xue holder spidsen i en fast afstand over prøven. Han ændrer derefter spændingen og måler, hvor meget strøm der flyder som funktion af den spænding og ethvert givet punkt over prøven. Dette giver ham mulighed for at kortlægge forskellige energiniveauer på tværs af prøven.

"Du vil have en så tynd isolator som muligt, LeRoy tilføjede. "Den oprindelige idé var at vælge noget fladt, men isolerende. Fordi bornitrid i det væsentlige har samme struktur som grafen, du kan skrælle den i lag på samme måde. Derfor, vi bruger et metal som base, læg et tyndt lag bornitrid på det og derefter grafen ovenpå."