Styring af trafikken på elektronmotorvejen - forskning i grafen

På en ellers normal dag i laboratoriet, Eva Andrei forventede ikke at gøre en større opdagelse. Andrei, en fysikprofessor ved Rutgers University, brugte grafit – materialet i blyanter – til at kalibrere et scanningstunnelmikroskop. Som en del af processen, hun tændte for et meget kraftigt magnetfelt. Da hun så op for at se materialets elektroniske spektrum, hun var forbavset. "Vi så enorme, smukke tinder deroppe, bare utroligt. Og de gav ingen mening, " huskede hun.

Jeg husker et foredrag, hun for nylig havde deltaget i, hun indså, at grafitten var skilt ud i ark, der kun var et atom tyk. Dette materiale, kendt som grafen, har bizarre elektroniske egenskaber. Men selv for grafen, det spektrum, hun så, var mærkeligt. Faktisk, ingen havde nogensinde set noget lignende før. Som Andrei beskrev det, hendes kollega "gik amok i korridoren og råbte bare 'Graphene!'" Andrei havde gjort en serendipital opdagelse – et nyt elektrisk fænomen.

Dette var hverken første eller sidste gang, at elektronernes bevægelse i grafen ville overraske og opmuntre videnskabsmænd. En af de mest imponerende ting ved grafen er, hvor hurtigt elektroner bevæger sig gennem det. De rejser gennem det mere end 100 gange hurtigere, end de gør gennem det silicium, der bruges til at lave computerchips. I teorien, dette tyder på, at producenter kunne bruge grafen til at lave superhurtige transistorer for hurtigere, tyndere, mere kraftfulde touch-skærme, elektronik, og solceller.

Men det, der gør grafen så fantastisk, hindrer også dets brug:Elektroner flyder for let gennem dens bikagestruktur. I modsætning til silicium, grafen mangler et båndgab. Båndgab er den mængde energi, en elektron skal få for at frigøre sig fra et atom og flytte til andre atomer for at lede en strøm. Som en vejafgift på en motorvej, elektroner skal "betale" med energi for at fortsætte. Elektroniske enheder bruger båndgab som porte til at kontrollere, hvor og hvornår elektroner strømmer. Mangler båndgab, graphens struktur fungerer som en elektron supermotorvej uden stopskilte.

"Graphens elektroner er så vilde og kan ikke tæmmes; det er svært at skabe et hul, " sagde Andrei.

Den mangel på et båndgab gør grafen i øjeblikket meget vanskeligt at bruge i moderne elektronik. Forskere støttet af Department of Energy's (DOE's) Office of Science undersøger måder at overvinde denne udfordring og andre til at styre grafens elektrontrafik.

Elektroner, der opfører sig som lyspartikler

Materialer, der kun er nogle få atomer tykke, virker fundamentalt anderledes end større mængder af det samme materiale.

"Den største udfordring er at have en pålidelig forståelse af materialernes egenskaber, " sagde Lilia Woods, en fysikprofessor ved University of South Florida.

Selv for et materiale, der er fladt, grafen har nogle mærkelige egenskaber. I de fleste materialer, elektroner bevæger sig med forskellige hastigheder. Men i grafen, de bevæger sig alle med samme hastighed. Faktisk, elektroner i grafen virker, som om de ikke har nogen masse - som lyspartikler. Det er en af ​​grundene til, at elektronerne bevæger sig så hurtigt og er så svære at kontrollere.

Styring af elektrontrafikken

At studere grafens adfærd er én ting. At finde ud af, hvordan man manipulerer det, er en anden. Forskere har forfulgt flere forskellige måder at kontrollere elektronerne i grafen på:udvikle nanobånd, strække det, parrer det med bornitrid (et andet atomhøjt materiale), og påføring af elektriske ladninger til tomme rum i den. Forskere forfølger flere tilgange, fordi de ikke ved, hvilken der vil fungere bedst. I mellemtiden, hver tilgang giver sin egen unikke indsigt i grafens grundlæggende egenskaber.

Grafen nanobånd

At producere grafen nanobånd er en måde at lave et materiale på, der allerede er ufatteligt tyndt, endnu tyndere. Disse bånd bevarer mange af grafens positive egenskaber, mens de potentielt giver videnskabsmænd bedre kontrol over, hvordan elektronerne opfører sig, herunder skabe båndgab.

"Du kan se disse små bånd som elektroniske kredsløbselementer, " sagde Michael Crommie, en fysiker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Undersøgelsen af ​​nanobånd begyndte, før videnskabsmænd overhovedet kom ind i laboratoriet. Baseret på beregninger, fysikere teoretiserede for mere end ti år siden, at nanobånd kunne tilbyde nye måder at manipulere grafens elektroniske egenskaber på. Eksperimentalister har bekræftet denne idé ved at udvikle nanobånd med konsekvente, rene kanter.

For eksempel, forskere ved University of Wisconsin og andre steder udviklede grafen nanobånd, der viste et båndgab. De viste, at når bredden af ​​et nanobånd er mindre end tre nanometer, omkring tykkelsen af ​​en DNA-streng, det udvikler et betydeligt båndgab. Det bliver også en halvleder. I modsætning til graphens elektronmotorvej, halvledere kan skifte frem og tilbage mellem at lede elektricitet eller ej. Jo smallere båndet, jo større mellemrum eller den "energiafgift" elektroner har brug for.

Men en udfordring er, hvordan man laver et enkelt nanobånd, der har flere bredder og derfor regioner med forskellige båndgab. Nanobånd af en enkelt bredde vil ikke give videnskabsmænd det niveau af kontrol, der er nødvendigt for at designe komplekse kredsløb. For at løse dette problem, Berkeley Lab-forskere smeltede segmenter af bånd med forskellige bredder sammen. Denne "båndgap-teknik" er afgørende for fremstilling af halvlederenheder og et stort skridt i retning af at bruge grafen i kredsløb.

Disse nanobånd kan ikke bruges af sig selv, så forskere er i øjeblikket ved at undersøge, hvordan nanobånd interagerer med forskellige overflader. University of South Florida forskere studerede grafen nanobånd på siliciumcarbid (SiC) substrater. De fandt ud af, at hvordan visse kanter af nanobånd hæfter til SiC-substratet påvirker båndgabet. Nanobånd med forskellige bredder og kanter forankret på forskellige substrater kan give forskere mere kontrol over elektronegenskaber end nanobånd, der slet ikke er forankret.

Stretching grafen

At strække grafen tilbyder en alternativ vej til at kontrollere dets egenskaber. Når videnskabsmænd strækker grafen på en bestemt måde, det danner små bobler, hvori elektroner virker, som om de faktisk er i et meget kraftigt magnetfelt. Disse bobler giver videnskabsmænd nye muligheder for at manipulere elektrontrafik i grafen.

Denne opdagelse var også en fuldstændig ulykke. Et hold hos Berkeley Lab dyrkede tilfældigt et lag grafen på overfladen af ​​en platinkrystal i et vakuumkammer. Da forskere testede grafen, de bemærkede, at dets elektroner opførte sig mærkeligt. I stedet for at bevæge sig, som de normalt gør i et jævnt kontinuum, elektronerne i grafen nanoboblerne samlet sig ved meget specifikke energier. Da forskerne sammenlignede deres resultater med, hvad teorien foreslog, de fandt ud af, at elektronerne opførte sig, som om de var i et ultra-stærkt magnetfelt. Imidlertid, der var ikke noget egentligt magnetfelt til stede.

Med grafen, "Ofte jager vi efter én ting, og vi finder noget helt uventet, " sagde Crommie.

Parring med Boron Nitride

Da videnskabsmænd først udforskede grafens egenskaber, de placerede det ovenpå siliciumdioxid. Fordi siliciumdioxid er en almindelig isolator til elektronikapplikationer, det virkede som et ideelt match. Imidlertid, grafenen nåede ikke sit fulde potentiale.

James Hone, en professor i maskinteknik ved Columbia University, huskede tænkning, "Er der et lagdelt materiale som grafen, der ville passe naturligt?"

Hone's team opdagede til sidst, at grafen virker meget bedre, når du i stedet sætter det på bornitrid. Ligesom grafen, bornitrid kan kun laves et par atomer tykt og har den samme bikagestruktur. Imidlertid, det er en isolator, der forhindrer elektroner i at bevæge sig igennem den.

De fandt ud af, at sammensætning af bornitrid og grafen kan producere et nyt materiale, hvis egenskaber er meget fleksible. Denne kombination er så lovende, at Alex Zettl fra Berkeley Lab jokede med, at hans laboratorium nu er "Boron Nitride R Us." Han kommenterede, "At have bornitrid indflydelse på grafen er et meget kraftfuldt værktøj."

Almindelig lys kan tilbyde en måde at påvirke elektroner i dette nye kompositmateriale. Berkeley Lab-forskere har fundet ud af, at de kan bruge lys fra en simpel lampe til at skabe en vigtig halvlederenhed kaldet en "p-n-junction". P-n-kryds har en side, der er positiv og mangler elektroner, og en anden side, der er negativ med ekstra elektroner. Ved omhyggeligt at designe disse kryds, ingeniører kan kontrollere, hvordan og hvornår elektroner bevæger sig mellem de to sider af et materiale. De er som portene, der løfter op og ned ved en betalingsbod.

Forskere indså, at hvis de kunne sætte fast, statiske ladninger i bornitridet på en bestemt måde, de kunne generere et p-n-kryds i det nærliggende grafen. For at oprette p-n krydset, videnskabsmændene forberedte først grafenmotorvejen til at have et overskud af elektroner, eller være en n-type region. Derefter, ved at skinne lys på det underliggende bornitrid, de skabte et hul, eller p-type region, i grafen. Så med en lyspuls og bornitrid som mediator, de kunne "skrive" p-n-kryds – vejafgifter – ind i grafen efter behov.

Selv efter at forskere slukkede lyset, aktiveringen af ​​bornitrid og dets indflydelse på elektrontrafikken i det nærliggende grafen, blev på plads i dagevis. Forskerne opdagede også, at de kunne slette og genskabe disse kryds, hvilket kunne være vigtigt for design af elektroniske enheder.

Nu bruger forskere scanning tunneling mikroskoper, som bruger nanometer-store spidser til at lede elektricitet, at gøre det samme med mere præcision.

Opladning af tomme pladser i grafen

På grund af sin unikke struktur, grafen forbliver stabil, selv når videnskabsmænd slår huller i det. Andreis team fra Rutgers University udnyttede dette faktum til at skabe et "kunstigt atom", der påvirker nærliggende elektroner i den ubeskadigede del af grafen. Først, forskere skød helium mod grafen på et substrat, at slå et enkelt kulstofatom ud. De brugte derefter et scanningstunnelmikroskop til at påføre en positiv ladning på substratet under det tomme rum, hvor det manglende atom plejede at sidde. Som et rigtigt atom, at positiv ladning påvirkede elektronernes kredsløb i det omgivende grafen. At skabe disse kunstige atomer kan være en anden måde, som fremtidige enheder kan kontrollere elektronstrømmen i grafen.

Fremtiden for grafen

Den måske mest overraskende af disse drejninger er, at fremtiden måske slet ikke ligger i grafen. Da videnskabsmænd undersøgte grafens unikke elektroniske egenskaber, de opdagede nye ekstremt tynde materialer lavet af andre elementer end kulstof. Hvis et materiale kun er nogle få atomer tykt og har en bikagestruktur, det kan demonstrere mange af grafens elektroniske egenskaber. Faktisk, Forskere har fundet materialer lavet af silicium, germanium, og tin, der virker påfaldende lig grafen. Brug af disse materialer alene eller i kombination med grafen kan give bedre egenskaber end grafen alene.

I mellemtiden, videnskabsmænd vil fortsætte med at undersøge de mærkelige træk ved dette ofte overraskende materiale. Som Philip Kim, en fysikprofessor ved Harvard University sagde, "[Graphene] giver dig altid noget nyt, spændende videnskab, som vi ikke havde forventet."