Forskere finder 3-D-materiale, der efterligner 2-D-grafen

(Phys.org) – Grafen – det tyndeste og stærkeste kendte materiale i universet og en formidabel leder af elektricitet og varme – får mange af sine fantastiske egenskaber fra det faktum, at det kun optager to dimensioner:Det har længde og bredde, men ingen højde , fordi det er lavet af et enkelt lag atomer.

Nu har forskere opdaget et 3-D-materiale, der opfører sig som 2-D-grafen. Selvom dette særlige materiale er meget ustabilt, forskningen viser, at det kan være muligt at finde et materiale med de egenskaber, grafen har at tilbyde i en tykkere, mere robust form, der er lettere at lave til elektroniske enheder.

Forskerholdet, inklusive videnskabsmænd fra SLAC og Lawrence Berkeley nationale laboratorier, rapporterede deres resultater i dag i Science Express .

"Lige siden grafen blev isoleret i 2004, forskere rundt om i verden har ledt efter måder at drage fuld fordel af dets mange ønskværdige egenskaber, " sagde Yulin Chen fra University of Oxford, som var fysiker ved Berkeley Lab, da han indledte undersøgelsen. "Men netop det, der gør grafen speciel - det faktum, at det består af et enkelt lag af atomer - gør det nogle gange svært at arbejde med, og en udfordring at fremstille."

Grafen er et et-atom-tykt ark af kulstofatomer skrællet fra et stykke grafit, som er kendt som blyant i blyanter. Et af dets kendetegn er dens elektroners mærkelige opførsel:Når de er begrænset til dette tynde lag af atomer med regelmæssig afstand, disse lette partikler virker, som om de slet ikke har nogen masse. Dette giver dem mulighed for at lyne gennem materialet meget hurtigere end normalt. Forskere udforsker måder at bruge disse egenskaber til at lave meget hurtige transistorer, sensorer og endda gennemsigtige elektroder.

Et par år siden, teoretikere foreslog, at et tykkere materiale - teknisk kendt som en tredimensionel topologisk Dirac-semimetal - kunne have de samme elektroniske egenskaber som 2-D grafen. Løbet var i gang for at se, om dette var sandt. Hvis et sådant materiale eksisterede, det ville udgøre en ny kvantetilstand af stof, defineret af dens elektroners unikke opførsel.

Chens gruppe undersøgte en natrium-vismutforbindelse, Na ₃ Bi, der var blevet identificeret som en sandsynlig kandidat af teoretikere Zhong Fang og Xi Dai fra det kinesiske videnskabsakademi, som er medforfattere til den nye rapport.

Hans laboratorium i Oxford lavede prøver af forbindelsen og fløj dem til Berkeley Labs Advanced Light Source for tests - gjort meget vanskeligere af det faktum, at Na ₃ Bi begynder at boble og bliver til pulver, når den udsættes for luft.

"Dette materiale var blevet produceret for længe siden, men folk havde ikke de kraftfulde værktøjer, de havde brug for til at måle dens elektroniske struktur, " sagde Zhongkai Liu, en kandidatstuderende med SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC, som udførte testene med postdoc-forsker Bo Zhou fra Berkeley Lab og Oxford.

Omhyggelig test afslørede, at Na ₃ Bi's elektroniske struktur tillader det at opføre sig som grafen, sagde Liu. Selvom denne særlige forbindelse er for ustabil til at bruge i enheder, holdet tester mere stabile forbindelser og leder efter måder at skræddersy dem til applikationer, han sagde.

Joel E. Moore, en kondenseret stof-fysiker ved University of California-Berkeley og Berkeley Lab, som ikke var involveret i forskningen, bemærkede i en nylig onlinekommentar, at andre forskningsgrupper også har forfulgt kandidatforbindelser, med flere upublicerede rapporter om succes.

Det næste spørgsmål, han skrev, er "om disse 3-D halvmetaller vil understøtte lige så mange interessante fænomener som grafen gør." Han tilføjede, at disse materialer kan være et udgangspunkt for andre tilstande af stof, og at mængden af ​​nye eksempler "bør føre til en bredere overvejelse af teoretikere af, hvilken interessant fysik denne klasse af materialer kan muliggøre."