Onderzoekers hebben nog een stap gezet om de unieke en vaak onverwachte eigenschappen van grafeen te begrijpen, een tweedimensionaal koolstofmateriaal dat interesse heeft gewekt vanwege zijn potentiële toepassingen in toekomstige generaties elektronische apparaten.

In de online-editie van het tijdschrift van 8 augustus Natuurfysica , onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en het National Institute of Standards and Technology (NIST) beschrijven voor het eerst hoe de banen van elektronen ruimtelijk worden verdeeld door magnetische velden die worden aangebracht op lagen epitaxiaal grafeen.

Het onderzoeksteam ontdekte ook dat deze elektronenbanen kunnen interageren met het substraat waarop het grafeen wordt gekweekt, het creëren van energiehiaten die van invloed zijn op hoe elektronengolven door het meerlagige materiaal bewegen. Deze energiekloven kunnen gevolgen hebben voor de ontwerpers van bepaalde op grafeen gebaseerde elektronische apparaten.

"Het regelmatige patroon van energiehiaten in het grafeenoppervlak creëert gebieden waar elektronentransport niet is toegestaan, " zei Phillip N. Ten eerste, een professor aan de Georgia Tech School of Physics en een van de co-auteurs van het artikel. "Elektronengolven zouden rond deze regio's moeten gaan, nieuwe patronen van elektronengolfinterferentie vereisen. Het begrijpen van dergelijke interferentie zal belangrijk zijn voor tweelaagse grafeenapparaten die zijn voorgesteld, en kan belangrijk zijn voor andere op roosters afgestemde substraten die worden gebruikt om grafeen- en grafeenapparaten te ondersteunen."

In een magnetisch veld, een elektron beweegt in een cirkelvormig traject - bekend als een cyclotronbaan - waarvan de straal afhangt van de grootte van het magnetische veld en de energie van het elektron. Voor een constant magnetisch veld, dat lijkt een beetje op het rondrollen van een knikker in een grote kom, Eerst gezegd.

"Bij hoge energie, de marmeren banen hoog in de kom, terwijl voor lagere energieën, de baangrootte is kleiner en lager in de kom, " legde hij uit. "De cyclotron-banen in grafeen zijn ook afhankelijk van de elektronenenergie en het lokale elektronenpotentieel - overeenkomend met de schaal - maar tot nu toe, de banen waren niet direct in beeld gebracht."

Geplaatst in een magnetisch veld, deze banen drijven normaal gesproken langs lijnen met een bijna constant elektrisch potentieel. Maar wanneer een grafeenmonster kleine fluctuaties in de potentiaal heeft, deze "drifttoestanden" kunnen vast komen te zitten op een heuvel of vallei in het materiaal dat constante potentiële contouren heeft gesloten. Dergelijke invanging van ladingsdragers is belangrijk voor het kwantum Hall-effect, waarin nauwkeurig gekwantificeerde weerstand het gevolg is van ladingsgeleiding alleen door de banen die langs de randen van het materiaal springen.

Het onderzoek richtte zich op één specifieke elektronenbaan:een nul-energiebaan die uniek is voor grafeen. Omdat elektronen materiegolven zijn, interferentie in een materiaal beïnvloedt hoe hun energie zich verhoudt tot de snelheid van de golf - en gereflecteerde golven die aan een inkomende golf worden toegevoegd, kunnen samen een langzamere composietgolf produceren. Elektronen die door de unieke "kippengaas"-rangschikking van koolstof-koolstofbindingen in het grafeen bewegen, interfereren op een manier die de golfsnelheid voor alle energieniveaus hetzelfde laat.

Naast het vinden dat energietoestanden contouren van constant elektrisch potentieel volgen, de onderzoekers ontdekten specifieke gebieden op het grafeenoppervlak waar de baanenergie van de elektronen van het ene atoom naar het andere verandert. Dat creëert een energiekloof binnen geïsoleerde plekken op het oppervlak.

"Door hun verdeling over het oppervlak te onderzoeken voor verschillende magnetische velden, we hebben vastgesteld dat de energiekloof te wijten is aan een subtiele interactie met het substraat, dat bestaat uit meerlaags grafeen dat is gegroeid op een siliciumcarbidewafel, "Eerst uitgelegd.

In meerlagig epitaxiaal grafeen, het symmetrische subrooster van elke laag wordt iets gedraaid ten opzichte van de volgende. In eerdere onderzoeken, onderzoekers ontdekten dat de rotaties dienden om de elektronische eigenschappen van elke grafeenlaag te ontkoppelen.

"Onze bevindingen bevatten de eerste aanwijzingen voor een kleine positieafhankelijke interactie tussen de lagen, " zei David L. Miller, de eerste auteur van het artikel en een afgestudeerde student in het laboratorium van First. "Deze interactie vindt alleen plaats wanneer de grootte van een cyclotronbaan - die krimpt naarmate het magnetische veld toeneemt - kleiner wordt dan de grootte van de waargenomen patches."

Aangenomen wordt dat de oorsprong van de positieafhankelijke interactie het "moiré-patroon" is van atomaire uitlijningen tussen twee aangrenzende lagen grafeen. In sommige regio's, atomen van een laag liggen bovenop atomen van de laag eronder, terwijl in andere regio's, geen van de atomen is uitgelijnd met de atomen in de laag eronder. In nog andere regio's, de helft van de atomen heeft buren in de onderlaag, een geval waarin de symmetrie van de koolstofatomen wordt verbroken en het Landau-niveau - het discrete energieniveau van de elektronen - splitst in twee verschillende energieën.

Experimenteel, de onderzoekers onderzochten een monster epitaxiaal grafeen dat bij Georgia Tech in het laboratorium van professor Walt de Heer was gekweekt, met behulp van technieken die zijn onderzoeksteam de afgelopen jaren heeft ontwikkeld.

Ze gebruikten de punt van een op maat gemaakte scanning-tunneling microscoop (STM) om de elektronische structuur van het grafeen op atomaire schaal te onderzoeken in een techniek die bekend staat als scanning tunneling spectroscopie. De punt werd over het oppervlak van een stuk grafeen van 100 vierkante nanometer bewogen, en spectroscopische gegevens werden elke 0,4 nanometer verkregen.

De metingen zijn gedaan bij 4,3 graden Kelvin om te profiteren van het feit dat de energieresolutie evenredig is met de temperatuur. De scanning-tunneling microscoop, ontworpen en gebouwd door Joseph Stroscio bij NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, gebruikte een supergeleidende magneet om de magnetische velden te leveren die nodig zijn om de banen te bestuderen.

Volgens eerst, de studie roept een aantal vragen op voor toekomstig onderzoek, inclusief hoe de energiehiaten de eigenschappen van elektronentransport zullen beïnvloeden, hoe de waargenomen effecten van invloed kunnen zijn op voorgestelde tweelaagse coherente grafeen-apparaten - en of het nieuwe fenomeen kan worden gecontroleerd.

"Deze studie is echt een opstapje op een lange weg naar het begrijpen van de subtiliteiten van de interessante eigenschappen van grafeen, " zei hij. "Dit materiaal is anders dan alles waarmee we eerder in de elektronica hebben gewerkt."