Forskere justerer stammen i grafentrommeskinner for at skabe kvanteprikker

Forskere har vist, at de kan tune stammen i grafen suspenderet som trommeskinner over mikroskopiske huller i et substrat af siliciumoxid ved hjælp af spidsen af ​​et avanceret scanningsondemikroskop og en ledende plade under substratet. Tuning af stammen gjorde det muligt for gruppen at skabe områder i grafenet, hvor elektroner opførte sig, som om de var begrænset til kvanteprikker.

At stramme eller afspænde spændingen på et trommehoved vil ændre den måde, trommen lyder. Det samme gælder for trommeskinner lavet af grafen, kun i stedet for at ændre lyden, strækning af grafen har en dybtgående effekt på materialets elektriske egenskaber. Forskere, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology og University of Maryland har vist, at udsættelse af grafen for mekanisk belastning kan efterligne virkningerne af magnetiske felter og skabe en kvanteprik, en eksotisk type halvleder med en bred vifte af potentielle anvendelser i elektroniske enheder.

Resultaterne blev rapporteret den 22. juni, 2012, spørgsmål af Videnskab .

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter. i stand til at lede elektricitet med lille modstand ved stuetemperatur, graphene er en førsteklasses kandidat til applikationer lige fra fleksible skærme til højhastighedstransistorer.

Imidlertid, den samme mangel på elektrisk modstand, som gør grafen attraktiv til nogle anvendelser, gør det også uegnet til digitale computerapplikationer. Grafen leder elektricitet så godt, fordi det ikke har et båndgab - en energisk tærskel, under hvilken materialet ikke vil lede elektricitet. Det betyder, at grafen ikke kan slås fra, " og computere har brug for "on" og "off" signaler til at transmittere og behandle information.

Fordi substrater sænker hastigheden af ​​elektroner, der bevæger sig gennem grafen, Nikolaj Klimov, en postdoc ved University of Maryland, der arbejder ved NIST, suspenderede grafenen over lavvandede huller i et substrat af siliciumdioxid - i det væsentlige fremstillet et sæt grafentrommeskinner. For at måle grafenens egenskaber, holdet brugte et unikt scanning probe mikroskop designet og bygget på NIST.

Da de begyndte at sondere trommeskinnerne, de fandt ud af, at grafenen steg op for at møde spidsen af ​​mikroskopet - et resultat af van der Waals-kraften, en svag elektrisk kraft, der skaber tiltrækning mellem genstande, der er meget tæt på hinanden.

"Mens vores instrument fortalte os, at grafen var formet som en boble fastspændt i kanterne, simuleringerne udført af vores kolleger ved University of Maryland viste, at vi kun opdagede grafenens højeste punkt, " siger NIST-forsker Nikolai Zhitenev. "Deres beregninger viste, at formen faktisk mere lignede den form, du ville få, hvis du stikker ind i overfladen af ​​en oppustet ballon, som en tipi eller cirkustelt."

Forskerne opdagede, at de kunne tune belastningen i trommeskinnet ved hjælp af den ledende plade, hvorpå grafen og substrat var monteret for at skabe en modvirkende attraktion og trække trommeskinnet ned. På denne måde de kunne trække grafen ind i eller ud af hullet under det. Og deres målinger viste, at ændring af belastningsgraden ændrede materialets elektriske egenskaber.

For eksempel, gruppen observerede, at når de trak grafenmembranen til den teltlignende form, regionen ved spidsen virkede ligesom en kvanteprik, en type halvleder, hvor elektroner er begrænset til et lille område af rummet.

At skabe halvledende regioner som kvanteprikker i grafen ved at ændre dens form kan give videnskabsmænd det bedste fra begge verdener:høj hastighed og båndgabet, der er afgørende for computere og andre applikationer.

Ifølge Zhitenev, elektronerne strømmer gennem grafen ved at følge sekskanternes segmenter. At strække sekskanterne sænker energien nær toppen af ​​den teltlignende form og får elektronerne til at bevæge sig lukket, kløverformede baner - der efterligner næsten præcis, hvordan elektronerne ville bevæge sig i et lodret varieret magnetfelt.

"Denne adfærd er virkelig ret bemærkelsesværdig, " siger Zhitenev. "Der er en lille smule elektronlækage, men vi fandt ud af, at hvis vi komplementerede det pseudomagnetiske felt med et faktisk magnetfelt, der var ingen lækage overhovedet."

"Normalt, at lave en grafen kvanteprik, du skulle skære et stykke grafen ud i nanostørrelse, " siger NIST Fellow Joseph Stroscio. "Vores arbejde viser, at du kan opnå det samme med belastningsinducerede pseudomagnetiske felter. Det er et flot resultat, og et væsentligt skridt i retning af at udvikle fremtidige grafen-baserede enheder."