Een toevallige ontdekking in het laboratorium van een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Riverside biedt een unieke route voor het afstemmen van de elektrische eigenschappen van grafeen, het dunste elastische materiaal van de natuur. Deze route is veelbelovend voor het vervangen van silicium door grafeen in de microchipindustrie.

De onderzoekers ontdekten dat het stapelen van drie lagen grafeen, zoals pannenkoeken, verandert de elektrische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk. Toen ze in het laboratorium drielaags grafeen maakten en de geleidbaarheid ervan maten, ze vonden, tot hun verbazing, dat, afhankelijk van hoe de lagen waren gestapeld, sommige van de drielaagse grafeenapparaten geleiden, terwijl andere isolerend waren.

"Wat we tegenkwamen, is een eenvoudige en handige 'knop' voor het afstemmen van de elektrische eigenschappen van grafeenplaten, " zei Jeanie Lau, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, wiens lab de toevallige vondst deed.

Studieresultaten verschenen online op 25 september in Natuurfysica .

Grafeen is een één-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in zeshoekige ringen. Met uitstekende materiaaleigenschappen, zoals hoge stroom-dragende capaciteit en thermische geleidbaarheid, dit "wondermateriaal" is bij uitstek geschikt voor het maken van componenten voor halfgeleiderschakelingen en computers.

Vanwege de vlakke en kippengaasachtige structuur van grafeen, zijn vellen lenen zich goed voor stapelen in wat 'Bernal-stapelen' wordt genoemd, ' de stapelmode van grafeenvellen.

In een Bernal-gestapelde dubbellaag, een hoek van de zeshoeken van het tweede vel bevindt zich boven het midden van de zeshoeken van het onderste vel. In Bernal-gestapelde drielaagse (ABA), het bovenste (derde) vel ligt precies bovenop het onderste vel. In rhombohedral-stacked (ABC) drielaagse, het bovenste vel wordt verschoven over de afstand van een atoom, zodat het bovenste (derde) vel en het onderste vel ook een Bernal-stapeling vormen.

"De meest stabiele vorm van drielaags grafeen is ABA, die zich gedraagt ​​als een metaal, Lau legde uit. "Verbazingwekkend, als we gewoon de hele bovenste laag verschuiven over de afstand van een enkel atoom, de drielaagse - nu met ABC of rhomboëdrische stapeling - wordt isolerend. Waarom dit gebeurt, is nog niet duidelijk. Het kan worden veroorzaakt door elektronische interacties. We wachten met spanning op een uitleg van theoretici!"

Haar lab gebruikte Raman-spectroscopie om de stapelvolgorde van grafeenapparaten te onderzoeken. Vervolgens is het laboratorium van plan om de aard van de isolerende staat in ABC-gestapeld grafeen te onderzoeken. In dit soort gestapeld grafeen, ze zijn ook van plan om de band gap te bestuderen - een bereik in energie, essentieel voor digitale toepassingen, waarin geen elektronen kunnen bestaan.

"De aanwezigheid van het gat in ABC-gestapeld grafeen dat ontstaat, we geloven, van verbeterde elektronische interacties is interessant omdat het niet wordt verwacht van theoretische berekeningen, " zei Lau. "Het begrijpen van deze kloof is vooral belangrijk voor de grote uitdaging van bandgap-engineering in grafeenelektronica."

Naast grafeen, Lau bestudeert nanodraden en koolstofnanobuisjes. Haar onderzoek heeft natuurkundigen geholpen om fundamenteel inzicht te krijgen in hoe atomen en elektronen zich gedragen wanneer ze worden geregeerd door de kwantummechanica. Haar laboratorium bestudeert nieuwe elektrische eigenschappen die voortkomen uit de kwantumopsluiting van atomen en ladingen in systemen op nanoschaal. Haar onderzoeksteam heeft aangetoond dat grafeen kan fungeren als een biljarttafel op atomaire schaal, met elektrische ladingen die als biljartballen werken.

Haar andere onderzoeksinteresses omvatten supergeleiding, thermisch beheer en elektronisch transport in nanostructuren, en engineering van nieuwe klassen van apparaten op nanoschaal.

Een educatief onderdeel van Lau's onderzoeksinspanningen is de actieve betrokkenheid van middelbare scholen, niet-gegradueerde, en afgestudeerde studenten, vooral minderheden en vrouwen, in haar baanbrekende onderzoek, profiteren van de etnische diversiteit van de studentenpopulatie en lokale gemeenschappen van UCR. Ze is een van de oprichters van de faculteit van het UCR Undergraduate Research Journal. Ze organiseerde ook een lunchgroep "Women in Physics" die een vriendelijk platform biedt voor vrouwelijke studenten, postdocs en docenten om te communiceren.

Na het behalen van haar bachelor in natuurkunde aan de Universiteit van Chicago in 1994, Lau ging naar Harvard University, waar ze in 1997 en 2001 haar master- en doctoraatstitel in de natuurkunde behaalde. respectievelijk. Ze kwam in 2004 bij UCR, na een aanstelling als onderzoeksmedewerker in het Hewlett-Packard Laboratory.