Overvindelse af udfordringer i elektrontransport gennem grafen nanostrukturer

Intet i verden er perfekt. Dette gælder også inden for materialeforskning. I computersimuleringer repræsenterer man ofte et system på en stærkt idealiseret måde; for eksempel beregner man de egenskaber, som en helt perfekt krystal ville have. I praksis er vi dog altid nødt til at forholde os til yderligere effekter - med defekter i krystalgitteret, med yderligere partikler, der hæfter på materialet, med komplicerede vekselvirkninger mellem partiklerne. Det afgørende spørgsmål er derfor:Ændrer disse uundgåelige yderligere effekter materialets egenskaber eller ej?

Dette er særligt interessant i tilfældet med det todimensionelle materiale grafen, som kun består af et enkelt lag af kulstofatomer. Det har længe været kendt, at grafen har fremragende elektroniske egenskaber. Det var dog uklart indtil nu, hvor stabile disse egenskaber er. Bliver de ødelagt af forstyrrelser og yderligere effekter, som er uundgåelige i praksis, eller forbliver de intakte?

Forskere ved TU Wien (Wien) er nu lykkedes med at udvikle en omfattende computermodel af realistiske grafenstrukturer. Det viste sig, at de ønskede effekter er meget stabile. Selv grafenstykker, der ikke er helt perfekte, kan godt bruges til teknologiske anvendelser. Dette er gode nyheder for det globale grafensamfund. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Carbon .

Mange stier fører gennem grafen

"Vi beregner på atomær skala, hvordan elektrisk strøm forplanter sig i et lille stykke grafen," siger prof. Florian Libisch fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "Der er forskellige måder, hvorpå en elektron kan bevæge sig gennem materialet. Ifølge kvantefysikkens regler behøver den ikke at vælge en af ​​disse veje; elektronen kan tage flere veje på samme tid."

Disse forskellige veje kan så overlappe hinanden på forskellige måder. Ved meget specifikke energiværdier ophæver stierne hinanden; ved denne energi er sandsynligheden for, at elektroner passerer gennem grafenstykket, meget lav, og den elektriske strøm er minimal. Dette kaldes "destruktiv interferens."

"Det faktum, at strømmen falder dramatisk ved meget specifikke energiværdier af kvantefysiske årsager, er en yderst ønskværdig effekt teknologisk," forklarer Libisch. "Dette kan f.eks. bruges til at behandle information i en lille skala, svarende til hvad elektroniske komponenter gør i computerchips."

Man kan også bruge det til at udvikle nye kvantesensorer. Antag, at et grafenstykke praktisk talt ikke leder nogen strøm overhovedet. Så hæfter sig pludselig et molekyle udefra til grafenoverfladen. "Dette ene molekyle ændrer grafenstykkets elektroniske egenskaber en lille smule, og det kan allerede være nok til pludselig at øge strømmen ganske drastisk," siger Dr. Robert Stadler. "Dette kunne bruges til at lave ekstremt følsomme sensorer."

Mange mulige interferenser

Men de fysiske effekter, der spiller en rolle i detaljerne, er meget komplicerede. "Størrelsen og formen på grafenstykket er ikke altid den samme, og der er mange-legeme-vekselvirkninger mellem flere elektroner, som er meget svære at beregne matematisk. Der kan være uønskede ekstra atomer nogle steder, og atomerne vakler altid lidt. - Alt dette skal tages i betragtning for at kunne beskrive materialet grafen på en virkelig realistisk måde," siger Dr. Angelo Valli.

Det er præcis, hvad der nu er opnået på TU Wien:Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian og Florian Libisch har mange års erfaring med korrekt at beskrive forskellige effekter i materialer i computermodeller. Ved at kombinere deres ekspertise er det nu lykkedes dem at udvikle en omfattende computermodel, der inkluderer alle relevante fejlkilder og forstyrrelseseffekter, der findes i grafer.

Og ved at gøre det var de i stand til at vise, at selv i nærvær af disse fejlkilder, er de ønskede effekter stadig synlige. Det er stadig muligt at finde en bestemt energi, ved hvilken der kun løber strømmen i meget lille udstrækning på grund af kvanteeffekter. Eksperimenter havde allerede vist, at dette er plausibelt, men der manglede en systematisk teoretisk undersøgelse indtil nu.

Dette beviser, at grafen ikke behøver at være perfekt for at blive brugt til kvanteinformationsteknologi eller kvantesansning. For anvendt forskning på dette område er dette et vigtigt budskab:Den verdensomspændende indsats for at bruge kvanteeffekterne i grafen på en kontrolleret måde er virkelig lovende.

Flere oplysninger: Angelo Valli et al., Stabilitet af destruktive kvanteinterferensantiresonanser i elektrontransport gennem grafen nanostrukturer, Carbon (2023). DOI:10.1016/j.carbon.2023.118358

Journaloplysninger: Kulstof

Leveret af Vienna University of Technology