Forskere tager skridt til at skabe kunstig grafen

(Phys.org) - Forskere observerede første gang grafen i 2004 ved at udvinde de enkeltatom-tykke plader af kulstof fra bulkgrafit. Mens grafens elektriske og optiske egenskaber har vist sig at have et ekstraordinært potentiale til mange anvendelser, at skabe atomisk præcise strukturer ud af grafen er fortsat udfordrende. I et forsøg på at forbedre grafens anvendelighed, videnskabsmænd har ledt efter en måde at fremstille kunstig grafen på, som kunne tjene som en nyttig struktur, hvor enheder nemt kan testes før deres implementering med naturlig grafen. Nu i en ny undersøgelse, videnskabsmænd har identificeret alle de vigtigste kriterier, der kræves for at fremstille kunstig grafen, som kunne give en guide til eksperimentelt at realisere materialet.

Holdet af videnskabsmænd, fra institutioner i Tjekkiet, Frankrig, Canada, og USA, har offentliggjort deres papir om at skabe kunstig grafen i et nyligt nummer af New Journal of Physics .

"Det tiltalende koncept med kunstig grafen dukkede op kort efter at 'rigtig' grafen blev fremstillet, ” medforfatter Lukas Nádvorník fra Charles University og Institute of Physics, ASCR, både i Prag, Tjekkiet, fortalte Phys.org . "Dette koncept foreslår at drage fordel af højkvalitets todimensionelle halvledere, som i dag er rutinemæssigt tilgængelige, og at fremstille på deres basis en ny krystal med et 'kunstigt' skabt bikagegitter, typisk for grafen. Med andre ord, at bruge nuværende teknologier til at efterligne naturen."

Selvom forskere har forsøgt at fremstille kunstig grafen i de sidste par år, ingen er endnu lykkedes. Her, ved at identificere alle de vigtigste krav, det håber forskerne at ændre på.

"For første gang, vi var i stand til at udtrække alle de parametre, der er relevante for kunstig grafen og foreslå deres rigtige kombination, som skulle føre til en vellykket realisering af dette system, ” sagde medforfatter Milan Orlita fra Charles University, Institut for Fysik, ASCR, og Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses i Grenoble, Frankrig. "Dette er nyttigt for vores videre arbejde, men også andre grupper, der arbejder på dette område, kan drage fordel af dette. Vores arbejde repræsenterer ikke en virkelig milepæl inden for kunstig grafen; alligevel, vi mener, at der er taget et vigtigt skridt hen imod dens fremstilling."

Forskerne tilføjede, at eksperimentelt fremstilling af kunstig grafen i fremtiden vil være udfordrende, men muligt.

"Vi ser ingen væsentlige hindringer for fremstilling af kunstig grafen - men teknologisk, det er en ret vanskelig sag, ” sagde medforfatter Karel Výborný fra Institut for Fysik, ASCR, og University of Buffalo-SUNY i Buffalo, New York. "Man skal finde en ordentlig kombination af en række fine parametre såsom bærertætheden, styrken af ​​moduleringspotentialet, gitter konstant, osv. Vores arbejde er formentlig det første, der går systematisk til værks og sammenligner de eksperimentelle resultater kvantitativt med de teoretisk formulerede kriterier.”

Kunstig grafen har visse fordele i forhold til naturlig grafen, såsom en krystalstruktur, hvis form kan varieres. Som forskerne forklarede, krystalstrukturen af ​​naturlig grafen er fast:den består af et perfekt honeycomb-gitter med en carbon-til-carbon-afstand på 0,142 nanometer. I modsætning, kunstig grafen fremstillet af halvleder-multilag (f.eks. ved hjælp af elektronstrålelitografi) er ikke begrænset af en præcis gitterform eller en præcis gitterkonstant.

"Det er også relativt nemt at fremstille specifikke" enheder, ’ dvs. kunstig grafen formet til striber, vejkryds, etc., " sagde Nádvorník. "Med naturlig grafen, det er svært (omend ikke umuligt!) at skabe atomisk præcise strukturer. Man kunne først teste sådanne 'enheder' med kunstig grafen og, hvis de viser sig nyttige, forsøge at reproducere dem med naturlig grafen."

Nádvorník forklarede, at forskere længe har forsøgt at skabe forskellige slags kunstige krystaller for at udforske deres kvantemekanik, men det, der gør grafen unik, er opførselen af ​​dets elektroner, kaldet Dirac fermioner.

"Fremstilling af todimensionelle supergitter med gitterkonstanter omkring 100 nanometer (mindre end en hundrededel af tykkelsen af ​​et menneskehår), som kunstig grafen er et eksempel på, går tilbage til 1990'erne, " han sagde. "Det, der ikke blev bemærket i disse tider, var Dirac-fermionerne - et særligt træk ved kunstig grafen. I vores arbejde, vi angiver klart fire kriterier, som man skal opfylde for at observere Dirac-fermionerne i en menneskeskabt halvlederstruktur. Groft sagt, mens kapløbet har været på plads siden 2009 for at observere nogle manifestationer af Dirac-fermioner i kunstig grafen, vi viser, hvordan man tester de enkelte kriterier separat. Når alle kriterierne er opfyldt, vi kan håbe på at observere Dirac-fermionerne."

Han forklarede, at Dirac-fermionerne ikke kun gør grafen til, hvad det er, men også give indsigt i andre områder af fysikken.

"Det er kun den sekskantede symmetri, der er ansvarlig for udseendet af Dirac-fermioner, " sagde Nádvorník. "Dette er elektroner, der bevæger sig i (kunstige) grafenkrystaller med forsvindende effektiv masse. De ligner meget ultrarelativistiske partikler, og deres bevægelse kan være, måske overraskende, beskrevet ved hjælp af ligninger typiske for relativistisk fysik. Dirac fermioner i grafen (det er lige meget om det er kunstigt eller ægte grafen) forbinder således faststoffysik og relativistisk kvanteelektrodynamik, to meget forskellige grene af moderne fysik."

I fremtiden, forskerne planlægger at tage de næste skridt mod eksperimentelt at realisere kunstig grafen.

"Det er en af ​​konklusionerne af vores arbejde, at en levedygtig måde at skabe kunstig grafen på er yderligere at reducere gitterkonstanten (periodiciteten af ​​det anvendte potentiale) ned til snesevis af nanometer, " sagde Nádvorník. "For at opnå dette, vi planlægger at anvende elektronstrålelitografien med endnu højere opløsninger, som vi plejede indtil nu, eller drage fordel af den fokuserede ion-stråleteknologi. Vi håber, at vi vil være i stand til at levere beviser for Dirac-fermioner i kunstig grafen ved hjælp af en bred vifte af tilgængelige eksperimentelle teknikker (infrarød/THz eller synlig spektroskopi eller elektronisk transport).

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.