Grafeen is over het algemeen beschreven als een tweedimensionale structuur - een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een regelmatige structuur - maar de realiteit is niet zo eenvoudig. In werkelijkheid, grafeen kan rimpels vormen die de structuur ingewikkelder maken, mogelijk wordt toegepast op apparaatsystemen. Het grafeen kan ook interageren met het substraat waarop het is gelegd, extra complexiteit toevoegen.

In onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie , RIKEN-wetenschappers hebben nu ontdekt dat rimpels in grafeen de beweging van elektronen tot één dimensie kunnen beperken, het vormen van een junctie-achtige structuur die verandert van nul-gap geleider naar halfgeleider terug naar nul-gap geleider. Bovendien, ze hebben de punt van een scanning tunneling microscoop gebruikt om de vorming van rimpels te manipuleren, de weg vrijmaken voor de constructie van grafeenhalfgeleiders, niet door chemische middelen - door andere elementen toe te voegen - maar door de koolstofstructuur zelf te manipuleren in een vorm van 'grafeenengineering'.

De ontdekking begon toen de groep experimenteerde met het maken van grafeenfilms met behulp van chemische dampafzetting, die als de meest betrouwbare methode wordt beschouwd. Ze waren bezig om grafeen te vormen op een nikkelsubstraat, maar het succes van deze methode hangt sterk af van de temperatuur en de koelsnelheid.

Volgens Hyunseob Lim, de eerste auteur van het artikel, "We probeerden grafeen te laten groeien op een enkel kristallijn nikkelsubstraat, maar in veel gevallen creëerden we uiteindelijk een verbinding van nikkel en koolstof, Ni2C, in plaats van grafeen. Om het probleem op te lossen, we probeerden het monster snel af te koelen na de dosering met acetyleen, en tijdens dat proces vonden we per ongeluk kleine nanorinkels, slechts vijf nanometer breed, in het monster."

Ze waren in staat om deze kleine rimpels in beeld te brengen met behulp van scanning tunneling microscopie, en ontdekte dat er openingen in de band gap waren, wat aangeeft dat de rimpels als halfgeleiders kunnen werken. Normaal stromen elektronen en elektronengaten vrij door een geleider zonder bandafstand, maar als het een halfgeleider is, zijn er bandgaten tussen de toegestane elektronentoestanden, en de elektronen kunnen alleen onder bepaalde omstandigheden door deze openingen gaan. Dit geeft aan dat het grafeen, afhankelijk van de rimpels, halfgeleider worden.

Aanvankelijk overwogen ze twee mogelijkheden voor het ontstaan ​​van deze band gap. Een daarvan is dat de mechanische belasting een magnetisch fenomeen kan veroorzaken, maar dat hebben ze uitgesloten, en concludeerde dat het fenomeen werd veroorzaakt door de opsluiting van elektronen in een enkele dimensie als gevolg van 'kwantumopsluiting'.

Volgens Yousoo Kim, hoofd van het Surface and Interface Science Laboratory, die het team leidde, "Tot nu toe, pogingen om de elektronische eigenschappen van grafeen te manipuleren zijn voornamelijk gedaan door middel van chemische middelen, maar het nadeel hiervan is dat het kan leiden tot verslechterde elektronische eigenschappen als gevolg van chemische defecten. Hier hebben we aangetoond dat de elektronische eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd door alleen de vorm van de koolstofstructuur te veranderen. Het zal spannend zijn om te zien of dit kan leiden tot manieren om nieuwe toepassingen voor grafeen te vinden."