Met behulp van grootschalige supercomputerberekeningen, onderzoekers hebben geanalyseerd hoe de plaatsing van metalen contacten op grafeen de elektronentransporteigenschappen van het materiaal verandert als een factor van junctielengte, breedte en oriëntatie. Het werk wordt beschouwd als de eerste kwantitatieve studie van elektronentransport door metaal-grafeen-overgangen om eerdere modellen in significant detail te onderzoeken.

Informatie over de manieren waarop het bevestigen van metalen contacten het elektronentransport in grafeen beïnvloedt, zal belangrijk zijn voor wetenschappers die het materiaal bestuderen - en voor ontwerpers die op een dag elektronische apparaten kunnen maken van het koolstofroostermateriaal.

"Grafeenapparaten zullen moeten communiceren met de buitenwereld, en dat betekent dat we contacten zullen moeten fabriceren om stroom en data te transporteren, " zei Mei-Yin Chou, een professor en afdelingsvoorzitter in de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "Als ze metalen contacten op grafeen plaatsen om transporteigenschappen te meten, onderzoekers en apparaatontwerpers moeten weten dat ze misschien niet de intrinsieke eigenschappen van ongerept grafeen meten. Er moet rekening worden gehouden met de koppeling tussen de contacten en het materiaal."

Informatie over de effecten van metalen contacten op grafeen werd gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven op 19 februari. Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, en betrokken interacties met onderzoekers van het door de National Science Foundation (NSF) ondersteunde Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) bij Georgia Tech.

Met behulp van grootschalige, eerste-principeberekeningen uitgevoerd in twee verschillende door NSF ondersteunde supercomputercentra, het Georgia Tech-onderzoeksteam - waaronder postdoctorale fellows Salvador Barraza-Lopez en Mihajlo Vanevic, en assistent-professor Markus Kindermann - voerden gedetailleerde berekeningen op atomair niveau uit van aluminiumcontacten die op grafeen waren gekweekt.

De berekeningen bestudeerden twee contacten tot 14 nanometer uit elkaar, met grafeen ertussen. In hun berekeningen de onderzoekers lieten het aluminium groeien zoals het in de echte wereld zou doen, bestudeerde vervolgens hoe elektronenoverdracht werd geïnduceerd in het gebied rond de contacten.

"Mensen hebben fenomenologische modellen kunnen bedenken die ze gebruiken om erachter te komen wat de effecten zijn van metalen contacten, " legde Chou uit. "Onze berekeningen gingen een paar stappen verder omdat we atoom-voor-atoom contacten bouwden. We bouwden atomistisch opgeloste contacten, en door dat te doen, we hebben dit probleem op atomair niveau opgelost en geprobeerd alles te doen in overeenstemming met de kwantummechanica."

Omdat metalen meestal overmatige elektronen hebben, het fysiek bevestigen van de contacten aan grafeen veroorzaakt een ladingsoverdracht van het metaal. De lading begint te worden overgedragen zodra de contacten zijn gemaakt, maar uiteindelijk bereiken de twee materialen een evenwicht, zei Cho.

De studie toonde aan dat ladingsoverdracht bij de leidingen en in het vrijstaande gedeelte van het materiaal een elektron-gat-asymmetrie in de geleiding veroorzaakt. Voor leads die voldoende lang zijn, het effect creëert twee geleidingsminima bij de energieën van de Dirac-punten voor de hangende en vastgeklemde gebieden van het grafeen, volgens Barraza-Lopez.

"Deze resultaten kunnen belangrijk zijn voor het ontwerp van toekomstige grafeenapparaten, " zei hij. "Edge effecten en de impact van nanoribbon breedte zijn in significant detail bestudeerd, maar de effecten van ladingoverdracht bij de contacten kunnen mogelijk net zo belangrijk zijn."

De onderzoekers modelleerden aluminium, maar geloven dat hun resultaten van toepassing zullen zijn op andere metalen zoals koper en goud die geen chemische bindingen met grafeen vormen. Echter, andere metalen zoals chroom en titanium veranderen het materiaal chemisch, dus de effecten die ze hebben op elektronentransport kunnen verschillen.

Naast de nieuwe informatie die de berekeningen opleveren, het onderzoek stelt verder kwantitatieve modellen voor die onder bepaalde omstandigheden kunnen worden gebruikt om de impact van de contacten te beschrijven.

"Eerdere modellen waren gebaseerd op fysieke inzichten, maar niemand wist echt hoe getrouw ze het materiaal beschreven, "Dit is de eerste berekening die aantoont dat deze eerdere modellen onder bepaalde omstandigheden van toepassing zijn op de systemen die we hebben onderzocht", aldus Kindermann.

Gegevens uit het onderzoek kunnen op een dag apparaatontwerpers helpen om grafeencircuits te ontwerpen door hen te helpen de effecten die ze zien te begrijpen.

"Als we grafeen aanpassen, we moeten begrijpen welke veranderingen optreden als gevolg van het toevoegen van materialen, " voegde Chou toe. "Dit is echt fundamenteel onderzoek om deze effecten te begrijpen en een numerieke voorspelling te hebben voor wat er aan de hand is. We helpen de basisfysica van grafeen te begrijpen."