En ny platform til at studere grafenes elektroniske egenskaber

Graphens usædvanlige elektroniske struktur gør det muligt for dette ekstraordinære materiale at slå mange rekorder for styrke, el- og varmeledning. Fysikere ved Center for Teoretisk Fysik af Komplekse Systemer (PCS), i samarbejde med Research Institute for Standards and Science (KRISS), brugt en model til at forklare den elektroniske struktur af grafen målt af en ny spektroskopisk platform. Disse teknikker, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , kunne fremme fremtidig forskning i stabile og nøjagtige kvantemålinger til ny 2-D elektronik.

For nylig, interessen for 2-D materialer er steget eksponentielt i både den akademiske verden og industrien. Disse materialer er lavet af ekstremt tynde plader, som har forskellige fysiske egenskaber sammenlignet med konventionelle 3-D materialer. I øvrigt, når forskellige 2D-ark er stablet oven på hinanden, ny el, optisk, og termiske egenskaber fremkommer. Et af de mest lovende og meget undersøgte 2D-materialer er grafen:et enkelt ark af kulstofatomer. For at studere de elektroniske egenskaber af både enkelt- og dobbeltlagsgrafen, holdet konstruerede en nanoenhed med grafen mellem to lag af et isolerende materiale kendt som hexagonal bornitrid (hBN). Oven på denne enhed placerede de grafit som elektrode. Grafit består i det væsentlige af hundredtusindvis af lag grafen. Det nederste lag bestod af et lag silicium og et af silica.

Ved at indstille de spændinger, der påføres via grafitten og silicium, forskerne målte ændringerne i grafens konduktans, som afspejler dets elektroniske egenskaber. Elektronerne i grafen har en særlig energistruktur, repræsenteret af den såkaldte Dirac-kegle, som faktisk er lavet af to kegler, der ligner et sandglas, med kun et uendeligt lille punkt imellem (Dirac Point). Du kan tænke på det som et usædvanligt cocktailglas formet som et sandglas, hvor drikken spiller funktionen af ​​grafenens elektroner. Ved temperatur tæt på nul Kelvin (-273 grader Celsius), elektronerne pakker sig ind i de lavest tilgængelige energitilstande og fylder dobbeltkegleglasset op fra bunden og op, indtil et vist energiniveau, kaldet Fermi niveau, er nået. At påføre en negativ spænding via silicium- og grafitlagene svarer til at drikke af glasset, mens en positiv spænding har samme effekt som at tilføje væske til glasset. Ved at modulere de påførte spændinger, forskerne kunne udlede den elektroniske struktur af grafen ved at følge Fermi-niveauet. I særdeleshed, de bemærkede, at når spændingen påført grafit er omkring 350 millivolt, der er et fald i konduktansmålingen, hvorved Fermi-niveauet matcher Dirac-punktet. Dette er en velkendt egenskab ved enkeltlagsgrafen.

Endelig, de elektriske egenskaber ændres igen, når et magnetfelt påføres enkeltlagsgrafen. I dette tilfælde, i stedet for et sandglascocktailglas, elektronernes energi ligner mere en stige, hvor elektroner med stigende energi kan findes på de højere trin. Mellemrum mellem stigens trin er blottet for elektroner, mens trinene fyldes med elektroner fra bunden og opad. Interessant nok, data opnået af forskerne fra KRISS blev med succes reproduceret af de teoretiske fysikere på IBS viste mere end 40 trin, teknisk kendt som Landau-niveauer. Hvert niveau skelnes tydeligt på grund af den lave baggrundsstøj.

Ja, forskerne kunne også matche de teoretiske og eksperimentelle data i forhold til de elektroniske egenskaber af dobbeltlagsgrafen. Dobbelt lag grafen, har en anden konduktansadfærd med en bredere dyk, bedre kendt som et energigab. I nærvær af et elektrisk felt vinkelret på det, dette energigab gør dobbeltlagsgrafen mere lig de nuværende afstembare halvledere. "Vi brugte en intuitiv model til at reproducere den eksperimentelle måling, og vi gav en teoretisk forklaring på, hvorfor disse energikonfigurationer dannes med enkelt- og dobbeltlagsgrafen, " forklarer MYOUNG Nojoon, første medforfatter til denne undersøgelse. "Denne model giver et mål mellem spændinger og energi i spektroskopiske målinger, og vi mener, at dette er et grundlæggende skridt til at studere grafens elektroniske egenskaber yderligere."