Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een unieke nieuwe draai aan het verhaal van grafeen ontdekt, platen pure koolstof van slechts één atoom dik, en lijken in het proces een mysterie te hebben opgelost dat de ontwikkeling van apparaten heeft tegengehouden.

Elektronen kunnen met bijna de lichtsnelheid door grafeen racen - 100 keer sneller dan ze door silicium bewegen. Naast superdun en supersnel als het gaat om het geleiden van elektronen, grafeen is ook supersterk en superflexibel, waardoor het een potentieel superstermateriaal wordt op het gebied van elektronica en fotonica, de basis voor een groot aantal apparaten, beginnend met ultrasnelle transistoren. Een groot probleem, echter, is dat de elektronengeleiding van grafeen niet volledig kan worden gestopt, een essentiële vereiste voor aan/uit-apparaten.

Het aan/uit-probleem komt voort uit monolagen van grafeen zonder bandgaps - energiegebieden waarin geen elektronentoestanden kunnen bestaan. Zonder bandgap, er is geen manier om de elektronenstroom te regelen of te moduleren en daarom is er geen manier om de enorme belofte van grafeen in elektronische en fotonische apparaten volledig te realiseren. Onderzoekers van Berkeley Lab zijn in staat geweest om nauwkeurig gecontroleerde bandgaps in dubbellaags grafeen te construeren door de toepassing van een extern elektrisch veld. Echter, toen apparaten werden gemaakt met deze technische bandgaps, de apparaten gedroegen zich vreemd, alsof de geleiding in die bandgaps niet was gestopt. Waarom dergelijke apparaten niet uitkwamen, was tot nu toe een wetenschappelijk mysterie.

Werken bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een DOE nationale gebruikersfaciliteit, een onderzoeksteam onder leiding van ALS-wetenschapper Aaron Bostwick heeft ontdekt dat bij het stapelen van grafeenmonolagen subtiele verkeerde uitlijningen ontstaan, het creëren van een bijna onmerkbare draai in het uiteindelijke dubbellaagse grafeen. Hoe klein het ook is - zo klein als 0,1 graad - deze draai kan leiden tot verrassend sterke veranderingen in de elektronische eigenschappen van het dubbelgelaagde grafeen.

"De introductie van de twist genereert een volledig nieuwe elektronische structuur in het dubbelgelaagde grafeen dat massieve en massaloze Dirac-fermionen produceert, ", zegt Bostwick. "De massaloze Dirac-fermiontak die door deze nieuwe structuur wordt geproduceerd, voorkomt dat dubbellaags grafeen volledig isoleert, zelfs onder een zeer sterk elektrisch veld. Dit verklaart waarom dubbellaags grafeen niet heeft voldaan aan de theoretische voorspellingen in echte apparaten die waren gebaseerd op perfect of niet-getwist dubbellaags grafeen."

Bostwick is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Natuurmaterialen getiteld "Coëxisterende massieve en massaloze Dirac-fermionen in symmetrie-gebroken dubbellaags grafeen." Keun Su Kim van het Fritz Haber Instituut in Berlijn is de hoofdauteur. Andere co-auteurs zijn Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyler, Karsten Hoorn, en Eli Rotenberg, die toezicht houdt op het onderzoek bij ALS Beamline 7.0.1.

Monolagen van grafeen hebben geen bandgaps - energiegebieden waarin geen elektronentoestanden kunnen bestaan. Zonder bandgap, er is geen manier om de elektronenstroom te regelen of te moduleren en daarom is er geen manier om de enorme belofte van grafeen in elektronische en fotonische apparaten volledig te realiseren. Onderzoekers van Berkeley Lab zijn in staat geweest om nauwkeurig gecontroleerde bandgaps in dubbellaags grafeen te construeren door de toepassing van een extern elektrisch veld. Echter, toen apparaten werden gemaakt met deze technische bandgaps, de apparaten gedroegen zich vreemd, alsof de geleiding in die bandgaps niet was gestopt.

Om dit mysterie tot op de bodem uit te zoeken, Rotenberg, Bostwick, Kim en hun co-auteurs voerden een reeks van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) experimenten uit bij ALS-straallijn 7.0.1. ARPES is een techniek voor het bestuderen van de elektronische toestanden van een vast materiaal waarbij een bundel röntgenfotonen die het oppervlak van het materiaal raakt, de foto-emissie van elektronen veroorzaakt. De kinetische energie van deze foto-elektronen en de hoeken waaronder ze worden uitgestoten, worden vervolgens gemeten om een ​​elektronisch spectrum te verkrijgen.

"De combinatie van ARPES en Beamline 7.0.1 stelde ons in staat om het elektronische spectrum gemakkelijk te identificeren aan de hand van de twist in het dubbelgelaagde grafeen, " zegt Rotenberg. "Het spectrum dat we hebben waargenomen was heel anders dan werd aangenomen en bevat extra vertakkingen die bestaan ​​uit massaloze Dirac-fermionen. Deze nieuwe massaloze Dirac-fermionen bewegen op een totaal onverwachte manier, geregeerd door de symmetrie getwiste lagen."

Massloze Dirac-fermionen, elektronen die zich in wezen gedragen alsof ze fotonen zijn, zijn niet onderworpen aan dezelfde bandgap-beperkingen als conventionele elektronen. in hun Natuurmaterialen papier, de auteurs stellen dat de wendingen die dit massaloze Dirac-fermionspectrum genereren bijna onvermijdelijk zijn bij het maken van dubbellaags grafeen en kunnen worden geïntroduceerd als resultaat van slechts tien atomaire misfits in een vierkante micron dubbellaags grafeen.

"Nu we het probleem begrijpen, we kunnen zoeken naar oplossingen, ", zegt hoofdauteur Kim. "Bijvoorbeeld, we kunnen proberen fabricagetechnieken te ontwikkelen die de twist-effecten minimaliseren, of verklein het dubbellaagse grafeen dat we maken, zodat we een betere kans hebben om lokaal puur materiaal te produceren."

Naast het oplossen van een dubbellaags grafeenmysterie, Kim en zijn collega's zeggen dat de ontdekking van de twist een nieuw raamwerk schept waarop verschillende fundamentele eigenschappen van dubbellaags grafeen nauwkeuriger kunnen worden voorspeld.

"Een les die we hier hebben geleerd, is dat zelfs zo'n kleine structurele vervorming van materialen op atomaire schaal niet mag worden afgewezen bij het volledig en nauwkeurig beschrijven van de elektronische eigenschappen van deze materialen, ' zegt Kim.