Een team van natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Arizona heeft ontdekt hoe de kristalstructuur van grafeen kan worden veranderd. beter bekend als potloodlood, met een elektrisch veld, een belangrijke stap naar het mogelijke gebruik van grafeen in microprocessors die kleiner en sneller zouden zijn dan de huidige, technologie op basis van silicium.

Grafeen bestaat uit extreem dunne vellen grafiet:bij het schrijven met een potlood, grafeenvellen vallen van de grafietkern van het potlood en plakken aan de pagina. Indien geplaatst onder een krachtige elektronenmicroscoop, grafeen onthult zijn bladachtige structuur van verknoopte koolstofatomen, lijkt op kippengaas.

Wanneer gemanipuleerd door een elektrisch veld, delen van het materiaal worden getransformeerd van zich gedragen als een metaal naar zich gedragen als een halfgeleider, vonden de UA-fysici.

Grafeen is 's werelds dunste materiaal, met 300, 000 vellen nodig om de dikte van een mensenhaar of een vel papier te bereiken. Wetenschappers en ingenieurs zijn erin geïnteresseerd vanwege de mogelijke toepassingen in micro-elektronische apparaten, in de hoop ons van het siliciumtijdperk naar het grafeentijdperk te stuwen. Het lastige is om de stroom van elektronen door het materiaal te regelen, een noodzakelijke voorwaarde om het in elk type elektronisch circuit te laten werken.

Brian Le Roy, UA universitair hoofddocent natuurkunde, en zijn medewerkers hebben een horde in de richting van dat doel genomen door te laten zien dat een elektrisch veld in staat is om de kristalstructuur van drielaags grafeen, dat uit drie lagen grafeen bestaat, te controleren.

De meeste materialen vereisen hoge temperaturen, druk of beide om hun kristalstructuur te veranderen, dat is de reden waarom grafiet niet spontaan in diamant verandert of omgekeerd.

"Het is uiterst zeldzaam dat een materiaal zijn kristalstructuur verandert door alleen maar een elektrisch veld aan te leggen, "Zei LeRoy. "Het maken van drielaags grafeen is een uitzonderlijk uniek systeem dat kan worden gebruikt om nieuwe apparaten te maken."

Drielaags grafeen kan op twee unieke manieren worden gestapeld. Dit is analoog aan het stapelen van lagen biljartballen in een driehoekig rooster, waarbij de bolletjes de koolstofatomen voorstellen.

"Als je twee lagen biljartballen op elkaar stapelt, hun 'kristalstructuur' is gefixeerd omdat de bovenste laag ballen in gaten moet zitten die worden gevormd door de driehoeken van de onderste laag, " legde Matthew Yankowitz uit, een derdejaars promovendus in het lab van LeRoy. Hij is de eerste auteur van het gepubliceerde onderzoek, die in het journaal verschijnt Natuurmaterialen . "De derde laag ballen kan zo worden gestapeld dat de ballen gelijk liggen boven de ballen in de onderste laag, of het kan iets verschoven zijn, zodat de ballen boven de gaten komen te liggen die worden gevormd door driehoeken in de onderste laag."

Deze twee stapelconfiguraties kunnen natuurlijk voorkomen in dezelfde grafeenvlok. De twee domeinen worden gescheiden door een scherpe grens waar de koolstofzeshoeken worden gespannen om de overgang van het ene stapelpatroon naar het andere te accommoderen.

"Door de verschillende stapelconfiguraties aan weerszijden van de domeinmuur, één kant van het materiaal gedraagt ​​zich als metaal, terwijl de andere kant zich gedraagt ​​als een halfgeleider, ' legde Le Roy uit.

Terwijl we de domeinmuur aftasten met een elektrisch veld, aangebracht door een extreem scherpe metalen scanning tunneling microscopie tip, de onderzoekers in de groep van LeRoy ontdekten dat ze de positie van de domeinmuur binnen de grafeenvlok konden verplaatsen. En terwijl ze de domeinmuur verplaatsten, de kristalstructuur van het drielaagse grafeen veranderde in zijn kielzog.

"We hadden het idee dat er aan de grens interessante elektronische effecten zouden zijn, en de grens bleef om ons heen bewegen, "Zei LeRoy. "In het begin was het frustrerend, maar toen we eenmaal beseften wat er aan de hand was, het bleek het meest interessante effect te zijn."

Door een elektrisch veld aan te leggen om de grens te verplaatsen, het is nu voor het eerst mogelijk om de kristalstructuur van grafeen gecontroleerd te veranderen.

"Nu hebben we een knop waaraan we kunnen draaien om het materiaal van metaal in halfgeleidend te veranderen en vice versa om de stroom van elektronen te regelen, "Zei LeRoy. "Het geeft ons in feite een aan-uitschakelaar, die nog niet was gerealiseerd in grafeen."

Hoewel er meer onderzoek nodig is voordat grafeen kan worden toegepast in technologische toepassingen op industriële schaal, onderzoekers zien manieren waarop het kan worden gebruikt.

"Als je een brede elektrode gebruikt in plaats van een spitse punt, je zou de grens tussen de twee configuraties verder kunnen verplaatsen, die het mogelijk zouden maken om van grafeen transistors te maken, ' zei Yankowitz.

Transistors zijn een hoofdbestanddeel van elektronische circuits omdat ze de stroom van elektronen regelen.

In tegenstelling tot siliciumtransistors die nu worden gebruikt, op grafeen gebaseerde transistors kunnen extreem dun zijn, waardoor het apparaat veel kleiner wordt, en aangezien elektronen veel sneller door grafeen bewegen dan door silicium, de apparaten zouden sneller computeren mogelijk maken.

In aanvulling, op silicium gebaseerde transistors worden vervaardigd om te functioneren als een van de twee typen - p-type of n-type - terwijl grafeen als beide zou kunnen werken. Dit zou ze goedkoper te produceren en veelzijdiger maken in hun toepassingen.