Mindre er mere:Forskere udpeger grafener med forskellige ledningsevneniveauer

(PhysOrg.com) -- Vidste du, at blyant kan ende med at ændre verden? Grafen er det materiale, hvorfra grafit, kernen i din nr. 2 blyant, er lavet. Det er også det seneste "vidundermateriale, " og kan være elektronikindustriens næste store håb for skabelsen af ​​ekstremt hurtige elektroniske enheder. Forskere ved North Carolina State University har fundet en af ​​de første vejspærringer for at bruge grafen ved at bevise, at dets ledningsevne falder betydeligt, når mere end et lag er til stede.

Graphenes struktur er det, der gør det lovende for elektronik. På grund af den måde dets kulstofatomer er arrangeret på, dens elektroner er meget mobile. Mobile elektroner betyder, at et materiale skal have høj ledningsevne. Men NC State fysiker Dr. Marco Buongiorno-Nardelli og NC State elektriske og computeringeniør Dr. Ki Wook Kim ønskede at finde en måde at studere adfærden af ​​"rigtig" grafen og se, om dette faktisk var tilfældet.

"Du kan tale om den elektroniske struktur af grafen, men du skal overveje, at disse elektroner ikke eksisterer alene i materialet, ” siger Buongiorno-Nardelli. "Der er urenheder, og vigtigst af alt, der er vibrationer til stede fra atomerne i materialet. Elektronerne møder og interagerer med disse vibrationer, og det kan påvirke materialets ledningsevne."

Buongiorno-Nardelli, Kim og kandidatstuderende Kostya Borysenko og Jeff Mullen udviklede en computermodel, der ville forudsige den faktiske ledningsevne af grafen, både som et enkelt lag og i en dobbeltlagsform, med to lag grafen siddende oven på hinanden. Det var vigtigt at studere tolagsmodellen, fordi faktiske elektroniske enheder ikke kan arbejde med kun et enkelt lag af materialet til stede.

"Du kan ikke lave en halvleder med kun et grafitlag, ” forklarer Buongiorno-Nardelli. "For at lave en enhed, det ledende materiale skal have et middel, hvormed det kan slukkes og tændes. Og dobbeltlag giver en sådan evne."

Med hjælp fra højtydende computere på Oak Ridge National Laboratories, NC State-holdet opdagede både gode og dårlige nyheder om grafen. Deres resultater vises som et redaktørforslag i 15. april-udgaven af Fysisk gennemgang B .

Med et enkelt lag grafen, mobiliteten – og dermed ledningsevnen – vist af forskernes simuleringer viste sig at være meget højere, end de oprindeligt havde troet. Denne gode nyhed var afbalanceret, imidlertid, ved resultaterne fra tolagstilstanden.

"Vi forventede, at elektronernes ledningsevne i dobbeltlagsgrafen kunne være noget værre, på grund af den måde, hvorpå vibrationerne fra atomerne i hvert enkelt lag interagerer med hinanden, " siger Mullen. "Overraskende nok, vi fandt ud af, at mobiliteten af ​​elektroner i tolagsgrafen er nogenlunde en størrelsesorden lavere end i et enkelt grafenark."

"Reduktionen er betydelig, men selv dette reducerede antal er højere end i mange konventionelle halvledere, ” tilføjer Borysenko.

Buongiorno-Nardelli siger, at NC State-forskerne retter deres opmærksomhed mod at afhjælpe dette problem.

"Hvis vi sætter grafenen på et substrat, der kan 'hæverte' noget af den varme, der genereres af den elektriske strøm, krystalvibrationerne vil falde og mobiliteten øges. Det er vores næste trin - at køre simuleringerne med grafen og substrater, der har denne egenskab."