(PhysOrg.com) -- Natuurkundigen van de Universiteit van Arizona doen ontdekkingen die de elektronische circuittechnologie kunnen bevorderen.

Grafiet, beter bekend als potloodlood, zou het volgende grote ding kunnen worden in de zoektocht naar kleinere en minder energieverslindende elektronica.

Lijkt op kippengaas op nanoschaal, grafeen – losse vellen grafiet – is slechts één atoom dik, waardoor het 's werelds dunste materiaal is. Twee miljoen grafeenvellen op elkaar gestapeld zouden niet zo dik zijn als een creditcard.

Het lastige deel dat natuurkundigen nog moeten uitvinden hoe ze de stroom van elektronen door het materiaal kunnen regelen, een noodzakelijke voorwaarde om het in elk type elektronisch circuit te laten werken. Grafeen gedraagt ​​zich heel anders dan silicium, het materiaal dat momenteel in halfgeleiders wordt gebruikt.

Vorig jaar, een onderzoeksteam onder leiding van UA-natuurkundigen nam de eerste hindernis door boornitride te identificeren, een structureel identiek maar niet-geleidend materiaal, als een geschikt montageoppervlak voor enkelatoomplaten grafeen. Het team toonde ook aan dat naast het bieden van mechanische ondersteuning, boornitride verbetert de elektronische eigenschappen van grafeen door fluctuaties in de elektronische ladingen af ​​te vlakken.

Nu ontdekte het team dat boornitride ook invloed heeft op hoe de elektronen door het grafeen reizen. Gepubliceerd in Natuurfysica , de resultaten openen nieuwe manieren om de elektronenstroom door grafeen te regelen.

"Als je bijvoorbeeld een transistor wilt maken, je moet in staat zijn om de stroom van elektronen te stoppen, " zei Brian LeRoy, een assistent-professor aan de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Arizona. "Maar in grafeen, de elektronen gaan gewoon door. Het is moeilijk om ze te stoppen."

LeRoy zei dat relativistische kwantummechanische effecten die op atomaire schaal een rol spelen, ervoor zorgen dat elektronen zich gedragen op manieren die indruisen tegen onze dagelijkse ervaringen over hoe objecten zich zouden moeten gedragen.

Neem tennisballen, bijvoorbeeld.

"Normaal gesproken, als je een tennisbal tegen een muur gooit, het stuitert terug, "Zei LeRoy. "Beschouw de elektronen nu als tennisballen. Met kwantummechanische effecten, er is een kans dat de bal er doorheen gaat en aan de andere kant belandt. in grafeen, de bal gaat 100 procent van de tijd door."

Dit vreemde gedrag maakt het moeilijk om te bepalen waar elektronen in grafeen naartoe gaan. Echter, zoals de groep van LeRoy nu heeft ontdekt, het monteren van grafeen op boornitride voorkomt dat een deel van de elektronen naar de andere kant gaat, een eerste stap naar een meer gecontroleerde elektronenstroom.

De groep bereikte deze prestatie door grafeenplaten onder bepaalde hoeken op boornitride te plaatsen, waardoor de hexagonale structuren in beide materialen elkaar zodanig overlappen dat secundaire, grotere zeshoekige patronen worden gecreëerd. De onderzoekers noemen deze structuur een superrooster.

Als de hoek precies goed is, ze vonden, er wordt een punt bereikt waar bijna geen elektronen doorheen gaan.

"Je zou kunnen zeggen dat we gaten in de muur hebben gemaakt, " zei Le Roy, "en zodra er gaten in de muur zitten, we zien dat sommige tennisballen er niet meer doorheen gaan. Het is het tegenovergestelde van wat je zou verwachten. Dat laat zien hoe raar dit is. Het komt allemaal door die relativistische kwantumeffecten."

De ontdekking brengt de technologie een beetje dichter bij het ooit kunnen controleren van de stroom van elektronen door het grafeen, aldus de auteurs van het artikel.

"Het effect hangt af van de grootte van het zeshoekige patroon dat ontstaat door de overlappende vellen, " legde Matthew Yankowitz uit, een eerstejaars afgestudeerde student in het lab van LeRoy en de hoofdauteur van de studie.

Het patroon, hij legde uit, creëert een periodieke modulatie van het potentieel - stel je een bal voor die over een eierdoos rolt.

"Het is een puur elektronisch effect dat wordt veroorzaakt door de structuur van de twee materialen en hoe ze op elkaar zitten, "Zei Yankowitz. "Het is vergelijkbaar met het Moiré-patroon dat je ziet als iemand een gestreept shirt op tv draagt."

Vanaf nu, de onderzoekers kunnen nog niet controleren hoe het grafeen en boornitride ten opzichte van elkaar georiënteerd worden als ze de twee materialen combineren. Daarom, ze maken veel monsters en controleren de structuur van elk onder een elektronenmicroscoop.

"Met onze scanning tunneling microscoop, we kunnen een beeld krijgen van elk superrooster en de grootte ervan meten, " zei Yankowitz. "We maken een foto en kijken hoe het patroon eruitziet. Als het hexagonale patroon te klein is, de monsters zijn niet goed en we gooien ze weg."

Yankowitz zei dat ongeveer 10 tot 20 procent van de monsters het gewenste effect vertoonde.

Als het ooit mogelijk wordt om dit proces te automatiseren, op grafeen gebaseerde micro-elektronica is misschien goed op weg om ons van het siliciumtijdperk naar het grafeentijdperk te stuwen.

De onderzoeksstudie is een samenwerking tussen LeRoy's lab en onderzoekers van het MIT in Cambridge, Massa., het Nationaal Instituut voor Materiaalkunde in Tsukuba, Japan en de Universiteit van Genève, Zwitserland. Het UA-gedeelte van het project werd gefinancierd door subsidies van het US Army Research Office en de National Science Foundation.