(Phys.org) — Slechts een atoom dik, 200 keer sterker dan staal en een bijna perfecte geleider, de toekomst van grafeen in de elektronica is allesbehalve zeker. Maar om dit supermateriaal van koolstof bruikbaar te maken, het moet een halfgeleider zijn - een materiaal dat kan schakelen tussen isolerende en geleidende toestanden, die tegenwoordig de basis vormt voor alle elektronica.

Experiment en theorie combineren, Cornell-onderzoekers zijn een stap dichter bij het maken van grafeen een nuttig, controleerbaar materiaal. Ze toonden aan dat wanneer gekweekt in gestapelde lagen, grafeen produceert een aantal specifieke defecten die de geleidbaarheid beïnvloeden.

Aan de kant van het experiment, een onderzoeksgroep heeft de structuur en het gedrag van op elkaar gestapelde grafeenvellen in beeld gebracht en geanalyseerd, dubbellaags grafeen genoemd. De groep, online publiceren 24 juni in Proceedings van de National Academy of Sciences , inclusief Paul McEuen, de Goldwin Smith Professor of Physics en directeur van het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science; David Müller, hoogleraar toegepaste en technische fysica en mededirecteur van Kavli; en Jiwoong-park, universitair hoofddocent scheikunde en chemische biologie en lid van Kavli.

Ze toonden aan dat in plaats van platte vellen van zich herhalende koolstofatomen gerangschikt als kippengaas, wanneer grafeen in lagen groeit, het rimpelt, zoals kamerbreed tapijt dat de kamerafmetingen overschrijdt. Deze rimpelingen, solitonen genoemd, zijn als elektrische snelwegen waardoor elektronen van het ene uiteinde van het vel naar het andere kunnen schieten. De rest van het niet-gegolfde grafeen, wanneer gestapeld, is halfgeleidend.

Eerder, theoretici hadden voorspeld dat dubbellaags grafeen uniform halfgeleidend zou zijn wanneer het gestapeld en verspringend zou zijn - zoals een vel biljartballen zou stapelen als de ballen (atomen) in de tussenruimten waren genesteld. Maar de theorie kwam niet uit, en de Cornell-onderzoekers beweren nu dat het komt door de solitons.

"Mensen dachten dat grafeen overal perfect gestapeld was, maar in werkelijkheid heeft het deze grappige structurele solitons die aanleiding geven tot elektronische, eendimensionale kanalen, "Zei McEuen. "Al deze complexiteiten waren verborgen."

Een aparte onderzoeksgroep onder leiding van Eun-Ah Kim, assistent-professor natuurkunde, publiceerde dezelfde week een paper in Fysieke beoordeling X dat beschrijft de wiskunde en theorie achter de elektrische eigenschappen van de solitonen en hoe ze passen in het dubbelgelaagde grafeenbeeld dat de samenwerking van McEuen bestudeerde.

"Ideaal, we willen grafeen beheersen, ' zei Kim. 'We willen graag van de solitons af, of misschien willen we een goed gecontroleerde, eendimensionale elektrische snelweg, maar er zijn er niet zoveel. Als we erachter komen hoe we grafeen kunnen beheersen, controle waar de solitons zijn, we kunnen nieuwe manieren openen om dubbellaags grafeen te beheersen."

De krant onder leiding van McEuen, "Strain Solitons en topologische defecten in dubbellaags grafeen, " inclusief werk van afgestudeerde studenten Jonathan Alden, Wei Tsen en Pinshane Huang. Het werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research en de National Science Foundation.

De krant onder leiding van Kim, "Topologische randstaten op een kantelgrens in gated meerlagig grafeen, " inclusief werk van postdoctoraal medewerker Abolhassan Vaezi, afgestudeerde student Darryl Ngai, en Yufeng Liang en Li Yang van de Washington University. Hun werk werd ook ondersteund door de National Science Foundation, inclusief een NSF CAREER-beurs.