Onderzoekers hebben aangetoond dat ze de spanning in grafeen kunnen afstemmen dat als drumvellen is opgehangen boven microscopisch kleine gaten in een substraat van siliciumoxide met behulp van de punt van een geavanceerde scanning probe-microscoop en een geleidende plaat onder het substraat. Door de spanning af te stemmen, kon de groep gebieden in het grafeen creëren waar elektronen zich gedroegen alsof ze beperkt waren tot kwantumstippen.

Het aanhalen of ontspannen van de spanning op een drumvel zal de manier waarop de drum klinkt veranderen. Hetzelfde geldt voor drumvellen gemaakt van grafeen, alleen in plaats van het geluid te veranderen, het uitrekken van grafeen heeft een diepgaand effect op de elektrische eigenschappen van het materiaal. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology en de University of Maryland hebben aangetoond dat het onderwerpen van grafeen aan mechanische belasting de effecten van magnetische velden kan nabootsen en een kwantumpunt kan creëren, een exotisch type halfgeleider met een breed scala aan mogelijke toepassingen in elektronische apparaten.

De resultaten werden gerapporteerd in de 22 juni, 2012, probleem van Wetenschap .

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster. In staat om elektriciteit te geleiden met weinig weerstand bij kamertemperatuur, grafeen is een uitstekende kandidaat voor toepassingen variërend van flexibele displays tot high-speed transistors.

Echter, hetzelfde gebrek aan elektrische weerstand dat grafeen aantrekkelijk maakt voor sommige toepassingen, maakt het ook ongeschikt voor digitale computertoepassingen. Grafeen geleidt elektriciteit zo goed omdat het geen band gap heeft - een energetische drempel waaronder het materiaal geen elektriciteit zal geleiden. Dit betekent dat grafeen niet kan worden uitgezet, " en computers hebben "aan"- en "uit"-signalen nodig om informatie te verzenden en te verwerken.

Omdat substraten de snelheid van elektronen die door grafeen bewegen vertragen, Nikolaj Klimov, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Maryland, werkzaam bij NIST, hing het grafeen over ondiepe gaten in een substraat van siliciumdioxide - in wezen een set grafeen drumvellen maken. Om de eigenschappen van het grafeen te meten, het team gebruikte een unieke scanning probe-microscoop die ontworpen en gebouwd werd door NIST.

Toen ze de drumvellen begonnen te onderzoeken, ze ontdekten dat het grafeen oprees om de punt van de microscoop te ontmoeten - een resultaat van de van der Waals-kracht, een zwakke elektrische kracht die aantrekkingskracht creëert tussen objecten die heel dicht bij elkaar staan.

"Terwijl ons instrument ons vertelde dat het grafeen de vorm had van een bel die aan de randen was vastgeklemd, de simulaties van onze collega's van de Universiteit van Maryland toonden aan dat we alleen het hoogste punt van het grafeen detecteerden, ", zegt NIST-wetenschapper Nikolai Zhitenev. "Hun berekeningen toonden aan dat de vorm eigenlijk meer leek op de vorm die je zou krijgen als je in het oppervlak van een opgeblazen ballon prikt, zoals een tipi of circustent."

De onderzoekers ontdekten dat ze de spanning in het drumvel konden afstemmen met behulp van de geleidende plaat waarop het grafeen en het substraat waren gemonteerd om een ​​compenserende aantrekkingskracht te creëren en het drumvel naar beneden te trekken. Op deze manier, ze konden het grafeen in of uit het gat eronder trekken. En hun metingen toonden aan dat het veranderen van de mate van spanning de elektrische eigenschappen van het materiaal veranderde.

Bijvoorbeeld, de groep merkte op dat toen ze het grafeenmembraan in de tentachtige vorm trokken, het gebied aan de top gedroeg zich net als een kwantumpunt, een type halfgeleider waarin elektronen zijn beperkt tot een klein gebied in de ruimte.

Het creëren van halfgeleidende gebieden zoals kwantumstippen in grafeen door de vorm ervan aan te passen, zou wetenschappers het beste van twee werelden kunnen geven:hoge snelheid en de bandafstand die cruciaal is voor computers en andere toepassingen.

Volgens Zhitenev, de elektronen stromen door grafeen door de segmenten van de zeshoeken te volgen. Het uitrekken van de zeshoeken verlaagt de energie nabij de top van de tentachtige vorm en zorgt ervoor dat de elektronen in gesloten, klavervormige banen - die bijna precies nabootsen hoe de elektronen zouden bewegen in een verticaal gevarieerd magnetisch veld.

"Dit gedrag is echt heel opmerkelijk, " zegt Zhitenev. "Er is een klein beetje elektronenlekkage, maar we ontdekten dat als we het pseudomagnetische veld zouden aanvullen met een echt magnetisch veld, er was geen enkele lekkage."

"Normaal gesproken, om een ​​grafeen quantum dot te maken, je zou een stuk grafeen van nanogrootte moeten uitsnijden, ", zegt NIST-collega Joseph Stroscio. "Ons werk laat zien dat je hetzelfde kunt bereiken met door spanning veroorzaakte pseudomagnetische velden. Het is een geweldig resultaat, en een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van toekomstige op grafeen gebaseerde apparaten."