Graphene i stand til at transportere enorme strømme på nanoskalaen

Nye forsøg har vist, at det er muligt for ekstremt høje strømme at passere gennem grafen, en form for kulstof. Dette gør det muligt hurtigt at rette op på ubalancer i elektrisk ladning.

Endnu engang, grafen har vist sig at være et ret specielt materiale:et internationalt forskerhold ledet af professor Fritz Aumayr fra Institute of Applied Physics ved TU Wien kunne påvise, at elektronerne i grafen er ekstremt mobile og reagerer meget hurtigt. Påvirkende xenonioner med en særlig høj elektrisk ladning på en grafenfilm får et stort antal elektroner til at blive revet væk fra grafen på et meget præcist sted. Imidlertid, materialet var i stand til at erstatte elektronerne inden for nogle femtosekunder. Dette resulterede i ekstremt høje strømme, som ikke ville blive opretholdt under normale omstændigheder. Dens ekstraordinære elektroniske egenskaber gør grafen til en meget lovende kandidat til fremtidige applikationer inden for elektronik.

Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf og University of Duisburg-Essen deltog i forsøget sammen med TU Wien. Det internationale team modtog teoretisk støtte fra Paris og San Sebastian samt fra interne medarbejdere (Institute of Theoretical Physics at TU Wien).

Højt ladede ioner

'Vi arbejder med ekstremt højt ladede xenonioner, 'forklarer Elisabeth Gruber, en ph.d. -studerende fra professor Aumayrs forskerhold. 'Op til 35 elektroner fjernes fra xenonatomerne, hvilket betyder at atomerne har en høj positiv elektrisk ladning. '

Disse ioner affyres derefter mod et fritstående enkelt lag grafen, som klemmes fast mellem mikroskopisk små beslag. 'Xenonionen trænger ind i grafenfilmen, derved slå et carbonatom ud af grafen - men det har meget lidt effekt, da hullet, der har åbnet sig i grafen, derefter genopfyldes med et andet carbonatom, 'forklarer Elisabeth Gruber. 'For os, Hvad der er meget mere interessant er, hvordan det elektriske felt for den højtladede ion påvirker elektronerne i grafenfilmen. '

Dette sker, selv før den højtladede xenonion kolliderer med grafenfilmen. Da den meget ladede ion nærmer sig, begynder den at rive elektroner væk fra grafen på grund af dets ekstremt stærke elektriske felt. På det tidspunkt, hvor ion er helt passeret gennem grafenlaget, den har en positiv ladning på mindre end 10, sammenlignet med over 30, da det startede. Ionen er i stand til at ekstrahere mere end 20 elektroner fra et lille område af grafenfilmen.

Det betyder, at elektroner nu mangler i grafenlaget, så kulstofatomerne, der omgiver xenonionernes slagpunkt, er positivt ladede. 'Det, du ville forvente at skulle ske nu, er, at disse positivt ladede kulstofioner afviser hinanden, flyver af sted i det, der kaldes en Coulomb -eksplosion og efterlader et stort hul i materialet, siger Richard Wilhelm fra Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf, der i øjeblikket arbejder på TU Wien som postdoktor. 'Men forbløffende, det er ikke tilfældet. Den positive ladning i grafen neutraliseres næsten øjeblikkeligt. '

Dette er kun muligt, fordi et tilstrækkeligt antal elektroner kan erstattes i grafen inden for en ekstremt kort tidsramme på flere femtosekunder (kvadrilliondeler af et sekund). 'Materialets elektroniske reaktion på forstyrrelsen forårsaget af xenonionen er ekstremt hurtig. Stærke strømme fra nærliggende områder af grafenfilmen forsyner straks elektroner, før en eksplosion skyldes, at de positive ladninger afviser hinanden, 'forklarer Elisabeth Gruber. 'Den nuværende tæthed er omkring 1000 gange højere end den, der ville føre til ødelæggelse af materialet under normale omstændigheder - men over disse afstande og tidsskalaer, grafen kan modstå sådanne ekstreme strømninger uden at lide skade. '

Ultrahurtig elektronik

Denne ekstremt høje elektronmobilitet i grafen er af stor betydning for en række potentielle anvendelser:'Håbet er, at netop derfor det vil være muligt at bruge grafen til at bygge ultrahurtig elektronik. Graphene ser også ud til at være glimrende velegnet til brug i optik, for eksempel ved tilslutning af optiske og elektroniske komponenter, siger Aumayr.