(PhysOrg.com) -- Grafeen, het materiaal waaruit potlood "lood, " zou ooit elektronische apparaten kleiner kunnen maken, sneller en energiezuiniger. Het verstrekken van de eerste gedetailleerde analyse van grafeen op boornitride, een door de UA geleid team van natuurkundigen heeft veelbelovende ontdekkingen gedaan.

Grafeen - een vel koolstofatomen verbonden in een zeshoekige, kippengaasstructuur – belooft veel voor micro-elektronica. Slechts één atoom dik en zeer geleidend, grafeen kan op een dag conventionele siliciummicrochips vervangen, apparaten kleiner maken, sneller en energiezuiniger.

Naast mogelijke toepassingen in geïntegreerde schakelingen, zonnepanelen, geminiaturiseerde bio-apparaten en sensoren voor gasmoleculen, het materiaal heeft de aandacht van natuurkundigen getrokken vanwege zijn unieke eigenschappen bij het geleiden van elektriciteit op atomair niveau.

Ook wel bekend als potlood "lood, " grafeen heeft heel weinig weerstand en zorgt ervoor dat elektronen zich kunnen gedragen als massaloze deeltjes zoals fotonen, of lichte deeltjes, terwijl u met zeer hoge snelheden door het zeshoekige raster reist.

De studie van de fysische eigenschappen en mogelijke toepassingen van grafeen, echter, heeft geleden onder een gebrek aan geschikte dragermaterialen die een vlakke grafeenlaag kunnen ondersteunen zonder de elektrische eigenschappen ervan te verstoren.

Onderzoekers van de fysica-afdeling van de Universiteit van Arizona hebben samen met medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology en het National Materials Science Institute in Japan nu een belangrijke stap voorwaarts gezet in de richting van het overwinnen van die obstakels.

Ze ontdekten dat door de grafeenlaag op een materiaal te plaatsen dat qua structuur bijna identiek is, in plaats van het veelgebruikte siliciumdioxide in microchips, ze zouden de elektronische eigenschappen ervan aanzienlijk kunnen verbeteren.

Vervanging van siliciumwafels door boornitride, een grafeenachtige structuur bestaande uit boor- en stikstofatomen in plaats van koolstofatomen, de groep was de eerste die de topografie en elektrische eigenschappen van de resulterende gladde grafeenlaag met atomaire resolutie meet.

De resultaten worden gepubliceerd in de voortijdige online publicatie van Natuurmaterialen .

"Structureel, boornitride is in principe hetzelfde als grafeen, maar elektronisch, het is helemaal anders, " zei Brian LeRoy, een assistent-professor natuurkunde en senior auteur van de studie. "Grafeen is een dirigent, boornitride is een isolator."

"We willen dat ons grafeen op iets isolerends zit, omdat we alleen geïnteresseerd zijn in het bestuderen van de eigenschappen van grafeen. Bijvoorbeeld, als je de weerstand wilt meten, en je zet het op metaal, je gaat gewoon de weerstand van het metaal meten omdat het beter zal geleiden dan grafeen."

In tegenstelling tot silicium, die traditioneel wordt gebruikt in elektronische toepassingen, grafeen is een enkele laag atomen, waardoor het een veelbelovende kandidaat is in de zoektocht naar steeds kleinere elektronische apparaten. Denk eraan om van een paperback naar een creditcard te gaan.

"Het is zo klein als je het kunt verkleinen, " zei LeRoy. "Het is een enkele laag, je krijgt nooit een halve laag of iets dergelijks. Je zou kunnen zeggen dat grafeen het ultieme is om het klein te maken, toch is het nog steeds een goede dirigent."

Op elkaar gestapeld, 3 miljoen vellen grafeen zou neerkomen op slechts 1 millimeter. Het dunste materiaal op aarde, grafeen bracht de Nobelprijs van 2010 naar Andre Geim en Konstantin Novoselov, die zijn uitzonderlijke eigenschappen met betrekking tot de kwantumfysica konden aantonen.

"Met behulp van een scanning tunneling microscoop, we kunnen naar atomen kijken en ze bestuderen, " voegde hij eraan toe. "Als we grafeen op siliciumoxide leggen en naar de atomen kijken, we zien hobbels die ongeveer een nanometer hoog zijn."

Hoewel een nanometer – een miljardste van een meter – misschien niet veel klinkt, naar een elektron dat voortsuist in een raster van atomen, het is nogal een hobbel in de weg.

"Het is eigenlijk als een stuk papier met kleine kreukels erin, " legt LeRoy uit. "Maar als je het papier neerlegt, in dit geval het grafeen, op boornitride, het is veel vlakker. Het verzacht de hobbels met een orde van grootte."

LeRoy geeft toe dat het tweede effect van zijn onderzoeksteam wat moeilijker uit te leggen is.

"Als grafeen op siliciumoxide zit, er zitten op sommige plaatsen elektrische ladingen in het siliciumoxide vast, en deze induceren enige lading in het bovenliggende grafeen. Je krijgt nogal wat variatie in de dichtheid van elektronen. Als grafeen op boornitride zit, de variatie is twee ordes van grootte minder."

In zijn laboratorium, LeRoy demonstreert de eerste - en verrassend low-tech - stap bij het karakteriseren van de grafeenmonsters:hij plaatst een klein vlokje grafiet - het spul waaruit potlood "lood" bestaat - op plakband, vouwt het terug op zichzelf en pelt het weer uit elkaar, in een proces dat doet denken aan een Rorschach-test.

"Je vouwt dit dubbel, " hij legde uit, "en opnieuw, en opnieuw, totdat het dun wordt. Grafeen wil in deze lagen afpellen, omdat de bindingen tussen de atomen in de horizontale laag sterk zijn, maar zwak tussen atomen die tot verschillende lagen behoren. Als je dit onder een optische microscoop legt, er zullen regio's zijn met één, twee, drie, vier of meer lagen. Dan zoek je gewoon met de microscoop naar enkellaags."

"Het is moeilijk om het monster te vinden omdat het erg, heel klein, " zei Jiamin Xue, een doctoraatsstudent in het lab van LeRoy en de belangrijkste auteur van het artikel. "Zodra we het gevonden hebben, we plaatsen het tussen twee gouden elektroden zodat we de geleiding kunnen meten."

Om de topografie van het grafeenoppervlak te meten, het team gebruikt een scanning tunneling microscoop, die een ultrafijne punt heeft die kan worden verplaatst.

"We verplaatsen de punt heel dicht bij het grafeen, totdat elektronen er naartoe gaan tunnelen, " legde Xue uit. "Zo kunnen we het oppervlak zien. Als er een bult is, de punt gaat een beetje omhoog."

Voor de spectroscopische meting, Xue houdt de punt op een vaste afstand boven het monster. Vervolgens verandert hij de spanning en meet hoeveel stroom er vloeit als functie van die spanning en een bepaald punt over het monster. Hierdoor kan hij verschillende energieniveaus in het monster in kaart brengen.

"Je wilt een zo dun mogelijke isolator, " voegde LeRoy eraan toe. "Het oorspronkelijke idee was om iets plats maar isolerends te kiezen. Omdat boornitride in wezen dezelfde structuur heeft als grafeen, je kunt het op dezelfde manier in lagen schillen. Daarom, we gebruiken een metaal als basis, doe er een dun laagje boornitride op en dan grafeen erop."