Fysikere opdager, hvordan man ændrer krystalstrukturen af ​​grafen

Et team af fysikere ledet af University of Arizona har opdaget, hvordan man ændrer krystalstrukturen af ​​grafen, mere almindeligt kendt som blyant, med et elektrisk felt, et vigtigt skridt mod mulig brug af grafen i mikroprocessorer, der ville være mindre og hurtigere end nuværende, siliciumbaseret teknologi.

Grafen består af ekstremt tynde ark grafit:når du skriver med en blyant, grafenark smuldrer blyantens grafitkerne af og klæber til siden. Hvis det placeres under et kraftigt elektronmikroskop, grafen afslører sin arklignende struktur af tværbundne carbonatomer, der ligner hønsenet.

Når det manipuleres af et elektrisk felt, dele af materialet omdannes fra at opføre sig som et metal til at opføre sig som en halvleder, fandt UA-fysikere.

Grafen er verdens tyndeste materiale, med 300,- 000 ark er nødvendige for at svare til tykkelsen af ​​et menneskehår eller et ark papir. Forskere og ingeniører er interesserede i det på grund af dets mulige anvendelser i mikroelektroniske enheder, i håb om at drive os fra siliciumalderen til grafenalderen. Den vanskelige del er at kontrollere strømmen af ​​elektroner gennem materialet, en nødvendig forudsætning for at få den til at fungere i enhver form for elektronisk kredsløb.

Brian LeRoy, UA lektor i fysik, og hans samarbejdspartnere har ryddet en forhindring mod dette mål ved at vise, at et elektrisk felt er i stand til at kontrollere krystalstrukturen af ​​trelagsgrafen - som består af tre lag grafen.

De fleste materialer kræver høje temperaturer, tryk eller begge dele for at ændre deres krystalstruktur, hvilket er grunden til, at grafit ikke spontant bliver til diamant eller omvendt.

"Det er ekstremt sjældent, at et materiale ændrer sin krystalstruktur blot ved at anvende et elektrisk felt, LeRoy sagde. "At lave trelagsgrafen er et usædvanligt unikt system, der kunne bruges til at skabe nye enheder."

Trelagsgrafen kan stables på to unikke måder. Dette er analogt med at stable lag af billardkugler i et trekantet gitter, hvor kuglerne repræsenterer carbonatomerne.

"Når du stabler to lag billardkugler, deres 'krystalstruktur' er fast, fordi det øverste lag af kugler skal sidde i huller dannet af trekanter i det nederste lag, " forklarede Matthew Yankowitz, en tredjeårs doktorand i LeRoys laboratorium. Han er den første forfatter på den offentliggjorte forskning, som står i journalen Naturmaterialer . "Det tredje lag kugler kan stables på en sådan måde, at dets kugler flugter over kuglerne i det nederste lag, eller den kan være lidt forskudt, så dens kugler kommer til at ligge over hullerne dannet af trekanter i det nederste lag."

Disse to stablingskonfigurationer kan naturligt eksistere i den samme flage af grafen. De to domæner er adskilt af en skarp grænse, hvor kulstofsekskanterne er spændt for at rumme overgangen fra det ene stablemønster til det andet.

"På grund af de forskellige stablingskonfigurationer på hver side af domænevæggen, den ene side af materialet opfører sig som et metal, mens den anden side opfører sig som en halvleder, " forklarede LeRoy.

Mens du sonderer domænevæggen med et elektrisk felt, påført af en ekstremt skarp metal scanning tunneling mikroskopi spids, forskerne i LeRoys gruppe opdagede, at de kunne flytte placeringen af ​​domænevæggen inden for flagen af ​​grafen. Og da de flyttede domænevæggen, krystalstrukturen af ​​trelagsgrafen ændrede sig i kølvandet.

"Vi havde den idé, at der ville være interessante elektroniske effekter ved grænsen, og grænsen blev ved med at bevæge sig rundt på os, LeRoy sagde. "Først var det frustrerende, men så snart vi indså, hvad der foregik, det viste sig at være den mest interessante effekt."

Ved at anvende et elektrisk felt til at flytte grænsen, det er nu for første gang muligt at ændre krystalstrukturen af ​​grafen på en kontrolleret måde.

"Nu har vi en knap, som vi kan dreje for at ændre materialet fra metallisk til halvledende og omvendt for at kontrollere strømmen af ​​elektroner, " sagde LeRoy. "Det giver os dybest set en tænd-sluk-knap, som endnu ikke var blevet realiseret i grafen."

Mens der er behov for mere forskning, før grafen kan anvendes i teknologiske anvendelser i industriel skala, forskere ser måder, det kan bruges.

"Hvis du brugte en bred elektrode i stedet for en spids spids, du kunne flytte grænsen mellem de to konfigurationer længere, som kunne gøre det muligt at skabe transistorer fra grafen, " sagde Yankowitz.

Transistorer er en fast bestanddel af elektroniske kredsløb, fordi de styrer strømmen af ​​elektroner.

I modsætning til siliciumtransistorer, der bruges nu, grafenbaserede transistorer kunne være ekstremt tynde, gør enheden meget mindre, og da elektroner bevæger sig gennem grafen meget hurtigere end gennem silicium, enhederne ville muliggøre hurtigere databehandling.

Ud over, siliciumbaserede transistorer bliver fremstillet til at fungere som en af ​​to typer - p-type eller n-type - hvorimod grafen kunne fungere som begge. Dette ville gøre dem billigere at producere og mere alsidige i deres applikationer.