Forskere opdager en lille drejning i tolagsgrafen, der kan løse et mysterium

Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget et unikt nyt twist til historien om grafen, plader af rent kulstof kun et atom tykt, og i processen ser det ud til at have løst et mysterium, der har holdt enhedens udvikling tilbage.

Elektroner kan løbe gennem grafen med næsten lysets hastighed - 100 gange hurtigere, end de bevæger sig gennem silicium. Ud over at være supertynd og superhurtig, når det kommer til at lede elektroner, grafen er også superstærk og superfleksibel, gør det til et potentielt superstjernemateriale inden for elektronik og fotonik, grundlaget for et væld af enheder, begyndende med ultrahurtige transistorer. Et stort problem, imidlertid, har været, at grafens elektronledning ikke helt kan stoppes, et væsentligt krav til tænd/sluk-enheder.

Tænd/sluk-problemet stammer fra monolag af grafen uden båndgab - energiområder, hvor ingen elektrontilstande kan eksistere. Uden et bånd, der er ingen måde at kontrollere eller modulere elektronstrøm på og derfor ingen måde at realisere det enorme løfte om grafen i elektroniske og fotoniske enheder. Berkeley Lab-forskere har været i stand til at konstruere præcist kontrollerede båndgab i tolagsgrafen gennem påføring af et eksternt elektrisk felt. Imidlertid, da enheder blev lavet med disse konstruerede båndgab, enhederne opførte sig mærkeligt, som om ledning i disse båndgab ikke var blevet stoppet. Hvorfor sådanne enheder ikke slog ud, har indtil nu været et videnskabeligt mysterium.

Arbejder hos Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en DOE national brugerfacilitet, et forskerhold ledet af ALS-forsker Aaron Bostwick har opdaget, at der i stablingen af ​​grafen-monolag opstår subtile fejljusteringer, skabe et næsten umærkeligt twist i den sidste dobbeltlagsgrafen. Lille som den er - så lille som 0,1 grad - kan denne drejning føre til overraskende stærke ændringer i tolagsgrafenens elektroniske egenskaber.

"Introduktionen af ​​twist genererer en helt ny elektronisk struktur i tolagsgrafenen, der producerer massive og masseløse Dirac-fermioner, " siger Bostwick. "Den masseløse Dirac fermiongren produceret af denne nye struktur forhindrer dobbeltlagsgrafen i at blive fuldt isolerende selv under et meget stærkt elektrisk felt. Dette forklarer, hvorfor dobbeltlagsgrafen ikke har levet op til teoretiske forudsigelser i faktiske enheder, der var baseret på perfekt eller ikke snoet dobbeltlagsgrafen."

Bostwick er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Naturmaterialer med titlen "Sameksisterende massive og masseløse Dirac-fermioner i symmetribrudt dobbeltlagsgrafen." Keun Su Kim fra Fritz Haber Institute i Berlin er hovedforfatter Andre medforfattere er Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Karsten Horn, og Eli Rotenberg, der fører tilsyn med forskningen på ALS Beamline 7.0.1.

Monolag af grafen har ingen båndgab - energiområder, hvor ingen elektrontilstande kan eksistere. Uden et bånd, der er ingen måde at kontrollere eller modulere elektronstrøm på og derfor ingen måde at realisere det enorme løfte om grafen i elektroniske og fotoniske enheder. Berkeley Lab-forskere har været i stand til at konstruere præcist kontrollerede båndgab i tolagsgrafen gennem påføring af et eksternt elektrisk felt. Imidlertid, da enheder blev lavet med disse konstruerede båndgab, enhederne opførte sig mærkeligt, som om ledning i disse båndgab ikke var blevet stoppet.

For at komme til bunds i dette mysterium, Rotenberg, Bostwick, Kim og deres medforfattere udførte en række eksperimenter med vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) ved ALS-strålelinje 7.0.1. ARPES er en teknik til at studere de elektroniske tilstande af et fast materiale, hvor en stråle af røntgenfotoner, der rammer materialets overflade, forårsager fotoemission af elektroner. Den kinetiske energi af disse fotoelektroner og vinklerne, hvorved de udstødes, måles derefter for at opnå et elektronisk spektrum.

"Kombinationen af ​​ARPES og Beamline 7.0.1 gjorde det muligt for os nemt at identificere det elektroniske spektrum ud fra drejningen i tolagsgrafenen, " siger Rotenberg. "Det spektrum, vi observerede, var meget forskelligt fra det, der er blevet antaget og indeholder ekstra grene bestående af masseløse Dirac-fermioner. Disse nye masseløse Dirac-fermioner bevæger sig på en fuldstændig uventet måde styret af de symmetriske snoede lag."

Masseløse Dirac fermioner, elektroner, der i det væsentlige opfører sig, som om de var fotoner, er ikke underlagt de samme båndgab-begrænsninger som konventionelle elektroner. I deres Naturmaterialer papir, forfatterne udtaler, at de drejninger, der genererer dette masseløse Dirac-fermionspektrum, kan være næsten uundgåelige ved fremstillingen af ​​tolagsgrafen og kan introduceres som et resultat af kun ti atomare mistilpasninger i en kvadratmikron tolagsgrafen.

"Nu hvor vi forstår problemet, vi kan søge efter løsninger, " siger hovedforfatter Kim. "F.eks. vi kan forsøge at udvikle fremstillingsteknikker, der minimerer twist-effekterne, eller reducere størrelsen af ​​den tolagsgrafen, vi laver, så vi har en bedre chance for at producere lokalt rent materiale."

Ud over at løse et tolags grafen-mysterium, Kim og hans kolleger siger, at opdagelsen af ​​drejningen etablerer en ny ramme, hvorpå forskellige grundlæggende egenskaber ved dobbeltlagsgrafen kan forudsiges mere præcist.

"En lektie lært her er, at selv en så lille strukturel forvrængning af atomare skala materialer ikke bør afvises ved at beskrive de elektroniske egenskaber af disse materialer fuldt og præcist, " siger Kim.