(Phys.org) -- Onderzoekers observeerden grafeen voor het eerst in 2004 door de enkel-atoom dikke platen koolstof uit bulkgrafiet te extraheren. Hoewel de elektrische en optische eigenschappen van grafeen een buitengewoon potentieel hebben voor veel toepassingen, het creëren van atomair precieze structuren uit grafeen blijft een uitdaging. In een poging om de bruikbaarheid van grafeen te verbeteren, wetenschappers hebben gezocht naar een manier om kunstmatig grafeen te fabriceren, die zou kunnen dienen als een nuttige structuur waar apparaten gemakkelijk kunnen worden getest voordat ze worden geïmplementeerd met natuurlijk grafeen. Nu in een nieuwe studie, wetenschappers hebben alle belangrijke criteria geïdentificeerd die nodig zijn om kunstmatig grafeen te maken, die een leidraad zou kunnen zijn voor het experimenteel realiseren van het materiaal.

Het team van wetenschappers, van instellingen in de Tsjechische Republiek, Frankrijk, Canada, en de VS, heeft hun paper over het maken van kunstmatig grafeen gepubliceerd in een recent nummer van de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

"Het aantrekkelijke concept van kunstmatig grafeen verscheen kort nadat 'echt' grafeen was gefabriceerd, ” co-auteur Lukas Nádvorník van de Charles University en het Institute of Physics, ASCR, zowel in Praag, Tsjechië, vertelde Phys.org . "Dit concept suggereert om te profiteren van hoogwaardige tweedimensionale halfgeleiders, die tegenwoordig standaard verkrijgbaar zijn, en om op basis daarvan een nieuw kristal te fabriceren met een ‘kunstmatig’ gemaakt honingraatrooster, typisch voor grafeen. Met andere woorden, om de huidige technologieën te gebruiken om de natuur na te bootsen.”

Hoewel onderzoekers de afgelopen jaren hebben geprobeerd kunstmatig grafeen te fabriceren, het is nog niemand gelukt. Hier, door alle belangrijkste vereisten te identificeren, de wetenschappers hopen daar verandering in te brengen.

"Voor de eerste keer, we waren in staat om alle parameters die relevant zijn voor kunstmatig grafeen te extraheren en hun juiste combinatie voor te stellen, die moet leiden tot een succesvolle realisatie van dit systeem, ” zei co-auteur Milan Orlita van de Charles University, het Instituut voor Natuurkunde, ASCR, en het Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble, Frankrijk. “Dit is nuttig voor ons verdere werk, maar ook andere groepen die op dit gebied werkzaam zijn, kunnen hiervan profiteren. Ons werk vertegenwoordigt geen echte mijlpaal in kunstmatig grafeen; hoe dan ook, we geloven dat er een belangrijke stap is gezet in de richting van de fabricage ervan.”

De onderzoekers voegden eraan toe dat het experimenteel fabriceren van kunstmatig grafeen in de toekomst een uitdaging zal zijn, maar haalbaar.

"We zien geen belangrijke obstakels die de fabricage van kunstmatig grafeen verhinderen - maar technologisch, het is nogal een lastige kwestie, ” zei co-auteur Karel Výborný van het Institute of Physics, ASCR, en de Universiteit van Buffalo-SUNY in Buffalo, New York. “Je moet een goede combinatie vinden van een aantal fijne parameters zoals de dragerdichtheid, sterkte van modulatiepotentieel, roosterconstante, enz. Ons werk is waarschijnlijk het eerste dat het probleem systematisch benadert en de experimentele resultaten kwantitatief vergelijkt met de theoretisch geformuleerde criteria.”

Kunstmatig grafeen heeft bepaalde voordelen ten opzichte van natuurlijk grafeen, zoals een kristalstructuur waarvan de vorm kan worden gevarieerd. Zoals de onderzoekers uitlegden, de kristalstructuur van natuurlijk grafeen ligt vast:het bestaat uit een perfect honingraatrooster met een koolstof-koolstofafstand van 0,142 nanometer. In tegenstelling tot, kunstmatig grafeen bereid uit meerlaagse halfgeleiderlagen (bijvoorbeeld door middel van elektronenstraallithografie) wordt niet beperkt door een precieze roostervorm of een precieze roosterconstante.

“Het is ook relatief eenvoudig om specifieke ‘apparaten, ’ d.w.z. kunstmatig grafeen gevormd in strepen, kruispunten, enzovoort., ' zei Nádvorník. “Met natuurlijk grafeen, het is moeilijk (maar niet onmogelijk!) om atomair nauwkeurige structuren te creëren. Men zou zulke ‘apparaten’ eerst kunnen testen met kunstmatig grafeen en, als ze nuttig blijken te zijn, proberen ze te reproduceren met natuurlijk grafeen.”

Nádvorník legde uit dat onderzoekers al lang proberen verschillende soorten kunstmatige kristallen te maken om hun kwantummechanica te onderzoeken, maar wat grafeen uniek maakt, is het gedrag van zijn elektronen, Dirac-fermionen genoemd.

"Vervaardiging van tweedimensionale superroosters met roosterconstanten van ongeveer 100 nanometer (minder dan een honderdste van de dikte van een mensenhaar), waarvan kunstmatig grafeen een voorbeeld is, dateert uit de jaren 90, " hij zei. “Wat in die tijd niet werd opgemerkt, waren de Dirac-fermionen – een speciaal kenmerk van kunstmatig grafeen. In ons werk, we vermelden duidelijk vier criteria waaraan men moet voldoen om de Dirac-fermionen waar te nemen in een door de mens gemaakte halfgeleiderstructuur. Grofweg gesproken, terwijl de race al sinds 2009 plaatsvindt om enige manifestatie van de Dirac-fermionen in kunstmatig grafeen waar te nemen, we laten zien hoe u de afzonderlijke criteria afzonderlijk kunt testen. Als aan alle criteria is voldaan, we kunnen hopen de Dirac-fermionen te observeren.”

Hij legde uit dat de Dirac-fermionen niet alleen grafeen maken tot wat het is, maar ook inzicht geven in andere gebieden van de natuurkunde.

“Het is alleen de hexagonale symmetrie die verantwoordelijk is voor het verschijnen van Dirac-fermionen, ' zei Nádvorník. “Dit zijn elektronen die bewegen in (kunstmatige) grafeenkristallen met verdwijnende effectieve massa. Ze lijken sterk op ultrarelativistische deeltjes en hun beweging kan zijn, misschien verrassend, beschreven met behulp van vergelijkingen die typisch zijn voor relativistische fysica. Dirac-fermionen in grafeen (het maakt niet uit of het kunstmatig of echt grafeen is) verbindt dus de vastestoffysica en relativistische kwantumelektrodynamica, twee heel verschillende takken van de moderne natuurkunde.”

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de volgende stappen te zetten in de richting van het experimenteel realiseren van kunstmatig grafeen.

"Het is een van de conclusies van ons werk dat een haalbare manier om kunstmatig grafeen te maken, is om de roosterconstante (periodiciteit van de toegepaste potentiaal) verder te verlagen tot tientallen nanometers, ' zei Nádvorník. "Om dit te behalen, we zijn van plan om de elektronenbundellithografie toe te passen met nog hogere resoluties zoals we tot nu toe gebruikten, of profiteer van de technologie met gerichte ionenbundels. We hopen dat we bewijs kunnen leveren voor Dirac-fermionen in kunstmatig grafeen met behulp van een breed scala aan beschikbare experimentele technieken (infrarood/THz of zichtbare spectroscopie of elektronisch transport).”

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.