Direkte billeddannelse bekræfter vigtigheden af ​​elektron-elektron-interaktioner i grafen

(Phys.org) - Måske skaber intet andet materiale så meget spænding i elektronikverdenen som grafen, plader af rent kulstof kun et atom tykt, hvorigennem elektroner kan køre med næsten lysets hastighed - 100 gange hurtigere, end de bevæger sig gennem silicium. Superthin, superstærk, superfleksibel og superhurtig som elektrisk leder, grafen er blevet udråbt som et potentielt vidundermateriale til et væld af elektroniske applikationer, startende med ultrahurtige transistorer. For at grafens enorme potentiale kan realiseres fuldt ud, imidlertid, forskere skal først lære mere om, hvad der gør grafen så super. Det seneste skridt i denne retning er taget af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California Berkeley.

Michael Crommie, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeleys fysikafdeling, ledet en undersøgelse, hvor de første direkte observationer ved mikroskopiske længder blev registreret af, hvordan elektroner og huller reagerer på en ladet urenhed - et enkelt Coulomb -potentiale - placeret på en lukket grafen -enhed. Resultaterne giver eksperimentel støtte til teorien om, at interaktioner mellem elektroner er kritiske for grafens ekstraordinære egenskaber.

"Vi har vist, at elektroner i grafen opfører sig meget anderledes omkring ladede urenheder end elektroner i andre materialer, ”Siger Crommie. "Nogle forskere har fastslået, at elektron-elektron-interaktioner ikke er vigtige for iboende grafenegenskaber, mens andre har argumenteret for, at de er. Vores første gang nogensinde billeder af, hvordan ultra-relativistiske elektroner omorganiserer sig som reaktion på et Coulomb-potentiale, kommer ned på siden af ​​elektron-elektron-interaktioner, der er en vigtig faktor. ”

Crommie er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics. Papiret har titlen "Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb urenhed på grafen." Co-author of this paper was Yang Wang, Victor Brar, Andrey Shytov, Qiong Wu, William Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl og Leonid Levitov.

Grafenplader består af carbonatomer arrangeret i et todimensionalt sekskantet mønstret gitter, som en honningkage. Elektroner, der bevæger sig gennem dette bikagegitter, efterligner perfekt den adfærd, der forventes af meget relativistiske ladede partikler uden masse:tænk på en lysstråle, der er elektrisk ladet. Fordi dette er den samme adfærd, der vises af meget relativistiske frie elektroner, ladningsbærere i grafen omtales som "Dirac quasiparticles, ”Efter Paul Dirac, forskeren, der først beskrev relativistiske fermions opførsel i 1928.

"I grafen, elektroner opfører sig som masseløse Dirac fermioner, ”Siger Crommie. "Som sådan, disse elektroners respons på et Coulomb-potentiale forudsiges at afvige væsentligt fra, hvordan ikke-relativistiske elektroner opfører sig i traditionelle atom- og urenhedssystemer. Imidlertid, indtil nu, mange vigtige teoretiske forudsigelser for dette ultra-relativistiske system var ikke blevet testet. ”

Arbejde med et specielt udstyret scanningstunnelmikroskop (STM) i ultrahøjt vakuum, Crommie og hans kolleger undersøgte lukkede enheder bestående af et grafenlag, der var afsat oven på bornitridflager, som selv blev placeret på et siliciumdioxid -substrat, det mest almindelige af halvlederunderlag.

"Anvendelsen af ​​bor-nitrid reducerede grafens ladningshomogenitet betydeligt, derved tillader os at undersøge det iboende grafiske elektroniske svar på individuelle ladede urenheder, ”Siger Crommie. I dette studie, de ladede urenheder var kobolt trimerer konstrueret på grafen ved atomisk manipulation af koboltmonomerer med spidsen af ​​en STM. ”

STM'en, der blev brugt til at fremstille kobolttrimerer, blev også brugt til at kortlægge (gennem rumlig variation i grafenets elektroniske struktur) reaktionen fra Dirac-kvasipartikler-både elektronlignende og hullignende-på Coulomb-potentialet, der er skabt af trimerne. Ved at sammenligne den observerede elektronhulsasymmetri med teoretiske simuleringer kunne forskergruppen ikke kun teste teoretiske forudsigelser for, hvordan Dirac fermioner opfører sig i nærheden af ​​et Coulomb -potentiale, men også for at ekstrahere grafens dielektriske konstant.

”Teoretikere har forudsagt, at sammenlignet med andre materialer, elektroner i grafen trækkes ind i en positivt ladet urenhed enten for svagt, det subkritiske regime; eller for stærkt, det superkritiske regime, ”Siger Crommie. "I vores undersøgelse, vi verificerede forudsigelserne for det subkritiske regime og fandt værdien for dielektrikumet til at være lille nok til at indikere, at elektron -elektron -interaktioner bidrager væsentligt til grafeneegenskaber. Disse oplysninger er grundlæggende for vores forståelse af, hvordan elektroner bevæger sig gennem grafen. ”