En teknik til at overdope grafen ud over van Hove-singulariteten

I over et årti, teoretiske fysikere har forudsagt, at van Hove-singulariteten af ​​grafen kan være forbundet med forskellige eksotiske faser af stof, hvoraf den mest bemærkelsesværdige er chiral superledning.

En van Hove-singularitet er i det væsentlige et ikke-glat punkt i tætheden af ​​tilstande (DOS) af et krystallinsk fast stof. Når grafen når eller er tæt på dette specifikke energiniveau, der udvikles et fladt bånd i sin elektroniske struktur, der kan optage et usædvanligt stort antal elektroner. Dette fører til stærke mange-krops-interaktioner, der fremmer eller muliggør eksistensen af ​​eksotiske tilstande af stof.

Indtil nu, den nøjagtige grad, i hvilken de tilgængelige energiniveauer af grafen skal fyldes med elektroner (dvs. "dopet") for at de enkelte faser kunne stabilisere sig har været meget vanskeligt at bestemme ved hjælp af modelberegninger. At identificere eller designe teknikker, der kan bruges til at dope grafen til eller uden for van Hove-singulariteten, kunne i sidste ende føre til interessante observationer relateret til eksotiske faser af stof, hvilket igen kunne bane vejen for udviklingen af ​​ny grafen-baseret teknologi.

Forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, Tyskland har for nylig udtænkt en tilgang til overdoping af grafen ud over van Hove-singulariteten. Deres metode, præsenteret i et papir udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , kombinerer to forskellige teknikker, nemlig ytterbium interkalation og kaliumadsorption.

"En eksperimentelt afstembar elektrontæthed i nærheden af ​​van Hove-singulariteten ville være yderst ønskelig, "Philipp Rosenzweig, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Tidligere eksperimenter har vist, at grafen faktisk kan stabiliseres ('fastgjort') på van Hove-niveau, og at ladningsbærere efterfølgende kan fjernes fra dette pinningsscenarie. Spørgsmålet, vi stillede, imidlertid, er kan vi også overføre flere elektroner til grafenlaget, overvinde van Hove pinning og over-dope ud over singulariteten? Bortset fra det rene principbevis, dette ville åbne op for en uudforsket legeplads af korrelerede faser med spændende løfter."

Doping af grafen til van Hove-singulariteten er en udfordrende opgave i sig selv, da det kræver overførsel af over 100 billioner (10 ¹⁴ ) elektroner pr. cm ² på grafenlaget. Doping af grafen kan opnås ved at deponere andre atomarter oven på det, som donerer nogle af deres elektroner til det.

En alternativ metode til doping af grafen, kendt som interkalation, indebærer sandwiching af dopingmidler mellem grafen og dets understøttende substrat. I løbet af det seneste årti, denne teknik har vist sig at være yderst nyttig til at justere materialets elektroniske egenskaber.

Typisk, selv når deponerings- og indskydningstilgange kombineres, bærertætheden af ​​grafen er svær at øge til en vilkårlig værdi. Dette skyldes primært, at gebyroverførslen i sidste ende vil mættes, forhindrer det i at blive dopet over et vist niveau.

"For nylig, vi opdagede, at indblandingen af ​​visse sjældne jordarters grundstoffer, på grund af deres enorme dopingeffektivitet, er allerede tilstrækkeligt til at fastgøre grafen til sin van Hove-singularitet, " sagde Rosenzweig. "I så fald, overfladen af ​​grafen er stadig fri til at optage yderligere dopingstoffer. Startende fra van Hove-scenariet med ytterbium-interkaleret grafen, ved at afsætte kaliumatomer ovenpå, vi var således i stand til at øge bærertætheden med endnu en faktor på 1,5, går langt ud over singularitetsniveauet."

I deres eksperimenter, forskerne brugte ytterbium-interkalation og kaliumadsorptionsmetoder. Denne tilgang tillod dem at dope et lag af grafen placeret på et halvledende siliciumcarbid (SiC) substrat ud over van Hoves singularitet, når en ladningsbærertæthed på 5,5 x 10 ¹⁴ cm ^-2 .

"Du kan sammenligne den strategi, vi brugte, med en situation i dagligdagen, hvor en omfangsrig genstand skal bæres op ad trappen til øverste etage (i vores tilfælde, hinsides van Hove-singulariteten), Rosenzweig forklarede. "Dette bliver måske kun muligt ved samtidig at skubbe nedefra (dvs. ytterbium intercalation) og trække fra toppen (dvs. kaliumadsorption)."

Studiet udført af Rosenzweig og hans kolleger beviser, at doping af grafen ud over dets van Hove-singularitet i eksperimentelle omgivelser faktisk er muligt. Forskerne undersøgte deres grafensystem ved hjælp af en teknik kaldet vinkelopløst fotoelektronspektroskopi, i test udført på BESSY II synkrotron, Helmholtz-Zentrum Berlin. Denne metode muliggør direkte visualisering af energibåndstrukturen af ​​grafen og dens udvikling gennem doping.

"Muligheden af ​​overdoping var tidligere langt fra klar, da systemet først fastgøres til singularitetsniveauet og optager et stort antal ladningsbærere, Rosenzweig sagde. ved at skubbe dopingen af ​​grafen til nye niveauer, vores undersøgelse åbner også op for et nyt og uudforsket landskab i fasediagrammet for dette prototype todimensionelle materiale. Som sådan, vi håber, at vores arbejde vil bidrage til at forstærke søgen efter korrelerede grundtilstande i monolagsgrafen, som helt sikkert ville være af interesse på tværs af forskellige underfelter i fysik."

I fremtiden, resultaterne indsamlet af Rosenzweig og hans kolleger kunne åbne nye spændende muligheder for studiet af eksotiske tilstande af stof i grafen, der er dopet ud over dets van Hove-singularitet. I øvrigt, denne nylige undersøgelse kunne forbedre den nuværende forståelse af de stærke ikke-lokale mange-krops-interaktioner i van Hove-doteret grafen, som har vist sig at have væsentlige vridningseffekter på dets energiniveauer. Forskerne demonstrerede, at sådanne effekter stadig er til stede i det overdopede regime, og at de bliver mere og mere, efterhånden som grafen nærmer sig van Hove-singulariteten. De indsamlede data kunne således også inspirere til udviklingen af ​​nye teoretiske modeller, der rækker ud over konventionel Fermi væsketeori.

"Nu hvor vi rutinemæssigt kan justere dopingniveauet i eksperimenter omkring van Hove-niveauet, vi leder efter nogen af ​​de forskellige eksotiske faser forudsagt af teori, " konkluderede Rosenzweig. "For at skyde efter stjernerne, At realisere ukonventionel superledning i et epitaksielt grafen-monolag ville naturligvis være en banebrydende opdagelse, der en dag kan føre til teknologiske anvendelser. I hvert fald spændende tider forude for van-Hove-doteret grafen."

© 2020 Science X Network