Forståelse af grafeners elektriske egenskaber på atomniveau

(Phys.org) —Graphene, et materiale, der består af et gitter af kulstofatomer, et atom tykt, er bredt udråbt som værende det mest elektrisk ledende materiale, der nogensinde er undersøgt. Imidlertid, ikke al grafen er ens. Med så få atomer, der omfatter hele materialet, arrangementet af hver enkelt har indflydelse på dets overordnede funktion.

Nu, for første gang, forskere fra University of Pennsylvania har brugt et banebrydende mikroskop til at studere forholdet mellem atomgeometrien af ​​et bånd af grafen og dets elektriske egenskaber.

En dybere forståelse af dette forhold vil være nødvendig for design af grafen-baserede integrerede kredsløb, computerchips og andet elektronisk udstyr.

Undersøgelsen blev ledet af professorerne A.T. Charlie Johnson og Marija Drndić, både af Institut for Fysik og Astronomi i Penn's School of Arts &Sciences, sammen med Zhengqing John Qi, et medlem af Johnsons laboratorium, og Julio Rodríguez-Manzo fra Drndics laboratorium. Sung Ju Hong, da et medlem af Johnsons laboratorium, også bidraget til undersøgelsen.

Penn-teamet samarbejdede med forskere ved Brookhaven National Laboratory, Université Catholique de Louvain i Belgien og Seoul National University i Sydkorea.

Deres undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Holdets eksperimenter blev aktiveret af Brookhavens aberrationskorrigerede transmissionselektronmikroskop, eller AC-TEM. Ved at fokusere mikroskopets elektronstråle, forskerne var i stand til kontrollerbart at skære ark af grafen i bånd med bredder så små som 10 nanometer, mens de holder dem forbundet til en elektricitetskilde uden for mikroskopet. De kunne derefter bruge AC-TEM's nanoskopiske opløsning til at skelne mellem individuelle kulstofatomer i disse bånd. Dette præcisionsniveau var nødvendigt for at bestemme, hvordan carbonatomerne på kanterne af nanobåndene var orienteret.

"Vi relaterer strukturen af ​​grafen - dets atomarrangement - til dets elektriske transportegenskaber, sagde Drndić. Især, vi kiggede på kanterne, som vi var i stand til at identificere geometrien af."

"Graphene ligner hønsenet, og du kan skære dette sekskantede gitter af kulstofatomer op på forskellige måder, producerer forskellige former på kanten, " sagde hun. "Men hvis du skærer det på en måde, den opfører sig måske mere som et metal, og, hvis du skærer det på en anden måde, det kunne være mere som en halvleder."

For ethvert stykke grafen, enten de spidse eller flade sider af dens kulstofsekskanter kan være ved stykkets kant. Hvor de spidse sider vender udad, kanten har et "zig-zag" mønster. Flade sider producerer "lænestols"-mønster, når de er på en kant. Enhver given kant kan også vise en blanding af de to, afhængig af hvordan grafenstykket oprindeligt blev skåret, og hvordan den kant nedbrydes under stress.

Fordi grafen nanobåndene var forbundet til en elektricitetskilde, mens de var inde i AC-TEM, forskerne var i stand til samtidig at spore omridset af båndene og måle deres ledningsevne. Dette gjorde det muligt at korrelere de to tal.

"Hvis du vil bruge grafen nanobånd i computerchips, for eksempel, du skal absolut have disse oplysninger, " sagde Johnson. "Folk har set på disse bånd under mikroskopet, og folk har målt deres elektriske egenskaber uden at se på dem, men aldrig begge dele på samme tid."

Efter at have studeret nanobåndene med relativt lave niveauer af elektronstrøm, forskerne skruede op for intensiteten, meget som at skrue op for en pære ved hjælp af en lysdæmper. Kombinationen af ​​elektronbombardementet fra mikroskopet og den store mængde elektroner, der strømmer gennem nanobåndene, fik deres strukturer til gradvist at nedbrydes. Da kulstofbindinger i nanobåndene brød, de blev tyndere og formen på deres kanter ændrede sig, at levere yderligere datapunkter.

"Ved at gøre alt inden for mikroskopet, " sagde Rodríguez-Manzo, "Vi kan bare følge denne transformation til ende, målestrømme for nanobåndene, selv når de bliver mindre end 1 nanometer på tværs. Det er fem atomer bredt."

Denne form for stresstest er afgørende for det fremtidige design af grafenelektronik.

"Vi er nødt til at se, hvor meget strøm vi kan transportere, før disse nanobånd falder fra hinanden. Vores data viser, at dette tal er højt sammenlignet med kobber, " Rodríguez-Manzo saDe barske forhold fik også nogle af båndene til at folde op på sig selv, fremstilling af nanoskopiske grafenløkker. Serendipitalt, holdet fandt, at disse sløjfer havde ønskværdige egenskaber.

"Når kanterne vikler sig rundt og danner løkkerne, ser vi, "Johnson sagde, "det hjælper med at holde strukturen sammen, og det gør strømtætheden tusinde højere end hvad der i øjeblikket er state of the art. Den struktur ville være nyttig til at lave sammenkoblinger [som er de ledende stier, der forbinder transistorer sammen i integrerede kredsløb]."

Fremtidig forskning på dette område vil involvere direkte sammenligning af de elektriske egenskaber af grafen nanobånd med forskellige bredder og kantformer.

"Når vi kan skære disse nanobånd atom for atom, " sagde Drndić, "der vil være meget mere, vi kan opnå."