grafeen, een vel koolstof van slechts één atoom dik, was een object van theoretische speculatie lang voordat het daadwerkelijk werd gemaakt. Theorie voorspelt buitengewone eigenschappen voor grafeen, maar het testen van de voorspellingen tegen experimentele resultaten is vaak een uitdaging.

Nu hebben onderzoekers die de Advanced Light Source (ALS) gebruiken van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy een belangrijke stap gezet om te bevestigen dat grafeen net zo ongewoon is als verwacht - misschien zelfs meer.

"Grafeen is geen halfgeleider, geen isolator, en geen metaal, " zegt David Siegel, de hoofdauteur van een paper in the Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) die de resultaten van het onderzoeksteam rapporteert. "Het is een speciaal soort halfmetaal, met elektronische eigenschappen die nog interessanter zijn dan je op het eerste gezicht zou vermoeden."

Siegel is een afgestudeerde student in de Materials Sciences Division (MSD) van Berkeley Lab en lid van de groep van Alessandra Lanzara in de afdeling Natuurkunde van de University of California in Berkeley. Hij en zijn collega's gebruikten ALS-bundellijn 12.0.1 om een ​​speciaal geprepareerd monster van grafeen te onderzoeken met ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopie) om te observeren hoe ongedoteerd grafeen - het intrinsieke materiaal zonder extra ladingsdragers - zich gedraagt ​​in de buurt van de zogenaamde "Diracpunt."

Het Dirac-punt is een uniek kenmerk van de bandstructuur van grafeen. In tegenstelling tot de bandstructuur van halfgeleiders, bijvoorbeeld, grafeen heeft geen band gap - geen kloof in energie tussen de met elektronen gevulde valentieband en de onbezette geleidingsband. In grafeen worden deze banden weergegeven door twee kegels ("Dirac-kegels") waarvan de punten elkaar raken, lineair kruisen op het Dirac-punt. Wanneer de valentieband van grafeen volledig is gevuld en de geleidingsband volledig leeg is, het grafeen kan worden beschouwd als "ongedopeerd" of "ladingsneutraal, " en het is hier dat enkele van de interessante eigenschappen van grafeen kunnen worden waargenomen.

Een ARPES-experiment meet netjes een plak door de kegels door direct de kinetische energie en hoek uit te zetten van elektronen die uit het grafeenmonster vliegen wanneer ze worden geëxciteerd door een röntgenstraal van de ALS. Er ontstaat een spectrum als deze uitgezonden elektronen het detectorscherm raken, geleidelijk een beeld van de kegel opbouwen.

De manier waarop de elektronen interageren in ongedoteerd grafeen is duidelijk anders dan die van een metaal:de zijkanten van de kegel (of poten van de X, in een ARPES-spectrum) een duidelijke binnenwaartse kromming ontwikkelen, wat aangeeft dat elektronische interacties plaatsvinden op steeds grotere afstanden - afstanden tot 790 angstrom uit elkaar - en leiden tot grotere elektronensnelheden. Dit zijn ongebruikelijke manifestaties, nog nooit eerder gezien, van een wijdverbreid fenomeen dat 'renormalisatie' wordt genoemd.

Experiment versus theorie

Om de betekenis van de bevindingen van het team te begrijpen, het helpt om te beginnen met hun experimentele opstelling. Ideaal, metingen van ongedoteerd grafeen zouden worden gedaan met een hangende plaat van vrijstaand grafeen. Maar veel experimenten kunnen alleen worden gedaan als het doelwit op een vast substraat rust. die de elektronische eigenschappen van de laag op het oppervlak kunnen beïnvloeden en het experiment kunnen verstoren.

Dus besloten Siegel en zijn collega's om een ​​speciaal soort "quasi-vrijstaand" grafeen te onderzoeken, beginnend met een substraat van siliciumcarbide. Bij verhitting, het silicium wordt uit het siliciumcarbide gedreven en koolstof verzamelt zich op het oppervlak als een relatief dikke laag grafiet (het soort koolstof in potlood). Maar aangrenzende grafeenlagen in het dikke grafietmonster worden ten opzichte van elkaar geroteerd, zodat elke laag in de stapel zich als een enkele geïsoleerde laag gedraagt.

"In de vastestoffysica is een van de meest fundamentele vragen die men over een materiaal kan stellen de aard van zijn ladingsdragers, "zegt Siegel. "Voor gewone metalen, het antwoord kan worden beschreven door de krachtigste theorie van vaste stoffen, bekend als de Fermi-vloeistoftheorie van Landau, " naar de Sovjet-fysicus Lev Landau en de Italiaanse en genaturaliseerde-Amerikaanse natuurkundige Enrico Fermi.

Terwijl individuele elektronen lading dragen - de elektrische stroom in een koperdraad, bijvoorbeeld - zelfs in een metaal kunnen ze niet volledig als eenvoudig worden begrepen, onafhankelijke deeltjes. Omdat ze voortdurend in wisselwerking staan ​​met andere deeltjes, de effecten van de interacties moeten worden opgenomen; elektronen en interacties samen kunnen worden gezien als "quasideeltjes, " die zich net als vrije elektronen gedragen, maar met verschillende massa's en snelheden. Deze verschillen worden afgeleid door het wiskundige proces dat renormalisatie wordt genoemd.

Landau's Fermi-vloeistof bestaat uit quasideeltjes. Naast het beschrijven van kenmerken van elektronen plus interacties, Fermi liquids hebben nog een aantal andere karakteristieke eigenschappen, en in de meeste materialen neemt de theorie over het algemeen dezelfde vorm aan. Het stelt dat ladingsdragers worden "aangekleed" door interacties tussen veel lichamen, die ook dienen om elektronen af ​​te schermen en hun interacties op langere afstand te voorkomen of te verminderen.

"Omdat de eigenschappen van zoveel materialen op een algemene manier vrijwel hetzelfde zijn, natuurkundigen zijn altijd geïnteresseerd in het vinden van systemen die verschillen van een normale Fermi-vloeistof, ", zegt Siegel. "Dit is wat onze resultaten zo opwindend maakt. Ongedoteerd grafeen verschilt echt van wat we verwachten van een normale Fermi-vloeistof, en onze resultaten komen goed overeen met theoretische berekeningen."

Misschien wel het meest levendige voorbeeld van het verschil is de langeafstandsinteractie tussen elektronen in halfmetaal grafeen, interacties die zouden worden gescreend in een normaal metaal. Siegel geeft toe dat er een voortdurende controverse kan zijn over hoe grafeen zich precies moet gedragen, "maar ons belangrijkste resultaat is dat we de aanwezigheid van deze niet-afgeschermde, langeafstandsinteracties, die het gedrag van quasideeltjes in grafeen op een fundamentele manier veranderen."