Elektronkorrelationer i kulstofnanostrukturer

Nye materialer er nødvendige for yderligere at reducere størrelsen af ​​elektroniske komponenter og dermed gøre enheder som laptops og smartphones hurtigere og mere effektive. Små nanostrukturer af det nye materiale grafen er lovende i denne henseende. Grafen består af et enkelt lag af kulstofatomer og, blandt andet, har en meget høj elektrisk ledningsevne. Imidlertid, den ekstreme rumlige indeslutning i sådanne nanostrukturer har stor indflydelse på deres elektroniske egenskaber. Et hold ledet af professor Michael Bonitz fra Institut for Teoretisk Fysik og Astrofysik (ITAP) ved Kiel Universitet er nu lykkedes med at simulere elektronernes detaljerede adfærd i disse specielle nanostrukturer ved hjælp af en omfattende beregningsmodel. Denne viden er afgørende for den potentielle brug af grafen nanostrukturer i elektroniske enheder.

Præcis simulering af elektronernes egenskaber i nanostrukturer

Sidste år, to forskerhold lykkedes uafhængigt af hinanden med at fremstille smalle, atomisk præcise grafen nanobånd og måling af deres elektronenergier. Bredden af ​​nanobåndene varierer på en præcis kontrolleret måde. Hver sektion af nanobåndene har sine egne energitilstande med deres egen elektroniske struktur. "Imidlertid, måleresultaterne kunne ikke gengives fuldstændigt af tidligere teoretiske modeller, " siger Bonitz, som leder formanden for Statistisk Fysik på ITAP. Sammen med sin ph.d. studerende Jan-Philip Joost og deres danske kollega professor Antti-Pekka Jauho fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), de udviklede en forbedret model, som førte til en fremragende overensstemmelse med eksperimenterne. Fysikerne præsenterer deres teoretiske resultater i det aktuelle nummer af det anerkendte tidsskrift Nano bogstaver .

Grundlaget for de nye og mere præcise computersimuleringer var antagelsen om, at afvigelserne mellem eksperimentet og tidligere modeller var forårsaget af detaljerne i elektronernes gensidige frastødning. Selvom denne Coulomb-interaktion også findes i metaller, og var faktisk inkluderet i tidligere simuleringer på en grov måde, effekten er meget større i de små grafen nanobånd, og kræver en detaljeret analyse. Elektronerne udstødes fra deres oprindelige energitilstande og skal 'søge' efter andre steder, som Bonitz forklarer:"Vi var i stand til at bevise, at korrelationseffekter på grund af Coulomb-interaktionen mellem elektronerne har en dramatisk indflydelse på det lokale energispektrum".

Formen af ​​nanobånd bestemmer deres elektroniske egenskaber

Hvordan de tilladte energiværdier for elektronerne afhænger af længden, bredde, og formen af ​​nanostrukturerne er blevet afklaret af holdet ved at undersøge mange sådanne nanobånd. "Energispektret ændrer sig også, når geometrien af ​​nanobåndene, deres bredde, og form, er ændret, " tilføjer Joost. "For første gang, vores nye data gør det muligt at lave præcise forudsigelser om, hvordan energispektret kan styres ved specifikt at variere formen på nanobåndene, " siger Jauho fra DTU i København. Forskerne håber, at disse forudsigelser nu også vil blive testet eksperimentelt og føre til udvikling af nye nanostrukturer. Sådanne systemer kan give vigtige bidrag til den yderligere miniaturisering af elektronik.