Bilags grafen fungerer som en isolator

Et forskerhold ledet af fysikere ved University of California, Riverside har identificeret en egenskab ved "bilayer graphene" (BLG), som forskerne siger er analogt med at finde Higgs -bosonen i partikelfysik.

Graphene, naturens tyndeste elastiske materiale, er et et-atom tykt lag af carbonatomer arrangeret i et sekskantet gitter. På grund af grafens plane og kyllingetrådlignende struktur, ark af det egner sig godt til stabling.

BLG dannes, når to grafenark stables på en særlig måde. Ligesom grafen, BLG har høj strømførende kapacitet, også kendt som høj elektronledningsevne. Den høje strømførende kapacitet skyldes de ekstremt høje hastigheder, elektroner kan opnå i et grafenark.

Fysikerne rapporterer online 22. januar i Naturnanoteknologi at de ved undersøgelse af BLG's egenskaber fandt ud af, at når antallet af elektroner på BLG -arket er tæt på 0, materialet bliver isolerende (dvs. det modstår strøm af elektrisk strøm) - et fund, der har konsekvenser for brugen af ​​grafen som et elektronisk materiale i halvleder- og elektronikindustrien.

"BLG bliver isolerende, fordi dets elektroner spontant organiserer sig selv, når deres antal er lille, "sagde Chun Ning (Jeanie) Lau, en lektor i fysik og astronomi og hovedforfatteren af ​​forskningsartiklen. "I stedet for at bevæge sig tilfældigt rundt, elektronerne bevæger sig på en ordnet måde. Dette kaldes 'spontan symmetribrud' i fysikken, og er et meget vigtigt begreb, da det er det samme princip, der 'giver' masse for partikler i højenergifysik. "

Lau forklarede, at en typisk leder har et stort antal elektroner, som bevæger sig tilfældigt rundt, snarere som en fest med ti tusinde gæster uden tildelte pladser ved spiseborde. Hvis festen kun har fire gæster, imidlertid, så bliver gæsterne nødt til at interagere med hinanden og sætte sig ved et bord. Tilsvarende når BLG kun har få elektroner, får interaktionerne elektronerne til at opføre sig ordnet.

Ny kvantepartikel

Allan MacDonald, Sid W. Richardson Foundation Regents -formand i Institut for Fysik ved University of Texas i Austin og en medforfatter til forskningspapiret, bemærkede, at holdet har målt massen af ​​en ny type massiv kvantepartikel, der kun kan findes inde i BLG -krystaller.

"Fysikken, der giver disse partikler deres masse, er tæt analog med fysikken, der gør massen af ​​en proton inde i en atomkerne meget meget større end massen af ​​kvarkerne, hvorfra den dannes, "sagde han." Vores teams partikel er lavet af elektroner, imidlertid, ikke kvarker. "

MacDonald forklarede, at det eksperiment, forskergruppen gennemførte, var motiveret af teoretisk arbejde, der forventede, at nye partikler ville dukke op fra elektronhavet af en BLG -krystal.

"Nu hvor de ivrigt forventede partikler er fundet, fremtidige eksperimenter vil hjælpe med at afvikle en igangværende teoretisk debat om deres egenskaber, " han sagde.

Praktiske anvendelser

Et vigtigt fund for forskergruppen er, at det iboende "energigab" i BLG vokser med stigende magnetfelt.

I faststoffysik, et energigab (eller båndgab) refererer til et energiområde i et fast stof, hvor der ikke kan eksistere elektrontilstande. Generelt, størrelsen af ​​et materiales energigab bestemmer, om det er et metal (intet hul), halvleder (lille hul) eller isolator (stort hul). Tilstedeværelsen af ​​et energigab i silicium er afgørende for halvlederindustrien, da, til digitale applikationer, ingeniører skal tænde enheden 'eller' ledende, og 'off' eller isolerende.

Enkeltlags grafen (SLG) er hullet, imidlertid, og kan ikke slukkes helt, fordi uanset antallet af elektroner på SLG, den forbliver altid metallisk og en leder.

"Dette er forfærdeligt uhensigtsmæssigt set fra et elektronisk synspunkt, "sagde Lau, medlem af UC Riversides Center for Nanoscale Science and Engineering. "BLG, på den anden side, kan faktisk slås fra. Vores forskning er i den indledende fase, og, i øjeblikket, båndgabet er stadig for lille til praktiske anvendelser. Hvad der dog er enormt spændende er, at dette arbejde foreslår en lovende rute - trelags grafen og tetralag grafen, som sandsynligvis vil have meget større energigab, der kan bruges til digitale og infrarøde teknologier. Vi er allerede begyndt at arbejde med disse materialer. "