Stacking 2-D materialer giver overraskende resultater

(Phys.org) - Graphene har forblændet forskere, lige siden opdagelsen for mere end et årti siden, med sine elektroniske egenskaber uden sidestykke dens styrke og lette vægt. Men et længe søgt mål har vist sig at være undvigende:hvordan man til grafen konstruerer en ejendom kaldet et båndgab, hvilket ville være nødvendigt for at bruge materialet til fremstilling af transistorer og andre elektroniske enheder.

Nu, nye fund af forskere ved MIT er et stort skridt i retning af at lave grafen med denne eftertragtede ejendom. Arbejdet kan også føre til revisioner af nogle teoretiske forudsigelser i grafenfysik.

Den nye teknik indebærer at placere et ark grafen-et kulstofbaseret materiale, hvis struktur kun er et atom tykt-oven på sekskantet bornitrid, endnu et atom-tykt materiale med lignende egenskaber. Det resulterende materiale deler grafens fantastiske evne til at lede elektroner, mens man tilføjer det båndgab, der er nødvendigt for at danne transistorer og andre halvlederindretninger.

Værket er beskrevet i et papir i tidsskriftet Videnskab medforfatter af Pablo Jarillo-Herrero, Mitsui Karriereudviklingsassistent i fysik på MIT, Professor i fysik Ray Ashoori, og 10 andre.

"Ved at kombinere to materialer, "Jarillo-Herrero siger, "vi skabte et hybridmateriale, der har andre egenskaber end en af ​​de to."

Graphen er en ekstremt god leder af elektroner, mens bornitrid er en god isolator, blokerer elektronernes passage. "Vi lavede en halvleder af høj kvalitet ved at sætte dem sammen, "Jarillo-Herrero forklarer. Halvledere, som kan skifte mellem ledende og isolerende tilstande, er grundlaget for al moderne elektronik.

For at få hybridmaterialet til at fungere, forskerne måtte justere, med næsten perfektion, atomgitterne af de to materialer, som begge består af en række sekskanter. Størrelsen af ​​sekskanterne (kendt som gitterkonstanten) i de to materialer er næsten den samme, men ikke helt:Dem i bornitrid er 1,8 procent større. Så selvom det er muligt at stille sekskanterne næsten perfekt op ét sted, over et større område går mønsteret ind og ud af register.

På dette tidspunkt, forskerne siger, at de må stole på chancen for at få vinkeljusteringen for de ønskede elektroniske egenskaber i den resulterende stak. Imidlertid, justeringen viser sig at være korrekt omkring en gang ud af 15, de siger.

"Bornitridets kvaliteter bløder over i grafen, "Siger Ashoori. Men hvad der er mest" spektakulært, "tilføjer han, er, at egenskaberne for den resulterende halvleder kan "tunes" ved blot at rotere det ene ark lidt i forhold til det andet, muliggør et spektrum af materialer med forskellige elektroniske egenskaber.

Andre har gjort grafen til en halvleder ved at æde arkene i smalle bånd, Ashoori siger, men en sådan tilgang forringer i væsentlig grad grafens elektriske egenskaber. Derimod, den nye metode ser ikke ud til at give nogen sådan nedbrydning.

Båndgabet, der hidtil er skabt i materialet, er mindre end det, der er nødvendigt for praktiske elektroniske enheder; at finde måder at øge det på vil kræve yderligere arbejde, siger forskerne.

"Hvis ... et stort båndgab kunne konstrueres, det kunne have applikationer i al digital elektronik, "Siger Jarillo-Herrero. Men selv på det nuværende niveau, tilføjer han, denne tilgang kunne anvendes på nogle optoelektroniske applikationer, såsom fotodetektorer.

Resultaterne "overraskede os positivt, "Ashoori siger, og vil kræve en forklaring af teoretikere. På grund af forskellen i gitterkonstanter af de to materialer, forskerne havde forudsagt, at hybridens egenskaber ville variere fra sted til sted. I stedet, de fandt en konstant, og uventet stort, båndgab over hele overfladen.

Ud over, Jarillo-Herrero siger, størrelsen af ​​ændringen i elektriske egenskaber produceret ved at sætte de to materialer sammen "er meget større end teorien forudsiger."

MIT -teamet observerede også et interessant nyt fysisk fænomen. Når den udsættes for et magnetfelt, materialet udviser fraktale egenskaber - kendt som et Hofstadter sommerfugl energispektrum - der blev beskrevet for årtier siden af ​​teoretikere, men tænkte umuligt i den virkelige verden. Der forskes intensivt på dette område; to andre forskningsgrupper rapporterer også om disse Hofstadter -sommerfugleeffekter i denne uge i tidsskriftet Natur . (se:graphene-butterflies.html "target =" _ blank "> phys.org/news/2013-05-61387688… 95e-butterflies.html og phys.org/news287824835.html)