Dankzij de ongebruikelijke elektronische structuur van grafeen kan dit buitengewone materiaal vele records van kracht breken, elektriciteit en warmtegeleiding. Natuurkundigen van het Centrum voor Theoretische Fysica van Complexe Systemen (PCS), in samenwerking met het Research Institute for Standards and Science (KRISS), gebruikte een model om de elektronische structuur van grafeen te verklaren, gemeten door een nieuw spectroscopisch platform. Deze technieken, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , zou toekomstig onderzoek naar stabiele en nauwkeurige kwantummetingen voor nieuwe 2D-elektronica kunnen bevorderen.

Onlangs, interesse in 2D-materialen is exponentieel gestegen in zowel de academische wereld als de industrie. Deze materialen zijn gemaakt van extreem dunne platen, die verschillende fysieke eigenschappen hebben in vergelijking met conventionele 3D-materialen. Bovendien, wanneer verschillende 2D-platen op elkaar worden gestapeld, nieuwe elektrische, optisch, en thermische eigenschappen ontstaan. Een van de meest veelbelovende en veel bestudeerde 2D-materialen is grafeen:een enkele laag koolstofatomen. Om de elektronische eigenschappen van zowel enkel- als dubbellaags grafeen te bestuderen, het team construeerde een nanodevice met grafeen ingeklemd tussen twee lagen van een isolerend materiaal dat bekend staat als hexagonaal boornitride (hBN). Bovenop dit apparaat plaatsten ze grafiet als elektrode. Grafiet bestaat in wezen uit honderdduizenden lagen grafeen. De onderste laag bestond uit een laag silicium en een laag silicium.

Door de spanningen die via het grafiet en het silicium worden aangelegd af te stemmen, de wetenschappers maten de veranderingen in de geleiding van grafeen, die zijn elektronische eigenschappen weerspiegelt. De elektronen van grafeen hebben een bepaalde energiestructuur, vertegenwoordigd door de zogenaamde Dirac-kegel, die eigenlijk is gemaakt door twee kegels die eruitzien als een zandloper, met slechts een oneindig klein punt ertussen (Dirac Point). Je kunt het zien als een ongewoon cocktailglas in de vorm van een zandloper, waar de drank de functie van de elektronen van het grafeen vervult. Bij een temperatuur van bijna nul Kelvin (-273 graden Celsius), de elektronen pakken de laagst beschikbare energietoestanden in en vullen het dubbelkegelglas van onder naar boven, tot een bepaald energieniveau, genaamd Fermi-niveau, is bereikt. Het aanleggen van een negatieve spanning via de silicium- en grafietlagen staat gelijk aan drinken uit het glas, terwijl een positieve spanning hetzelfde effect heeft als het toevoegen van vloeistof aan het glas. Door de aangelegde spanningen te moduleren, de wetenschappers konden de elektronische structuur van grafeen afleiden door het Fermi-niveau te volgen. Vooral, ze merkten dat wanneer de spanning op grafiet ongeveer 350 milliVolt is, er is een dip in de geleidbaarheidsmeting, waarmee het Fermi-niveau overeenkomt met het Dirac-punt. Dit is een bekende eigenschap van enkellaags grafeen.

Eindelijk, de elektrische eigenschappen veranderen weer wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd op het enkellaags grafeen. In dit geval, in plaats van een cocktailglas van zandloper, de energie van de elektronen lijkt meer op een ladder waar elektronen met toenemende energie op de hogere sporten te vinden zijn. Openingen tussen de laddersporten zijn verstoken van elektronen, terwijl de treden zich van onder naar boven vullen met elektronen. interessant, de gegevens verkregen door de wetenschappers van KRISS werden met succes gereproduceerd door de theoretische fysici van IBS toonden meer dan 40 sporten, technisch bekend als Landau-niveaus. Elk niveau is duidelijk te onderscheiden door het lage achtergrondgeluid.

Inderdaad, de wetenschappers konden ook de theoretische en experimentele gegevens vergelijken met de elektronische eigenschappen van dubbellaags grafeen. Dubbellaags grafeen, heeft een ander geleidingsgedrag met een bredere dip, beter bekend als een energiekloof. In aanwezigheid van een elektrisch veld loodrecht daarop, deze energiekloof maakt dubbellaags grafeen meer vergelijkbaar met de huidige afstembare halfgeleiders. "We gebruikten een intuïtief model om de experimentele meting te reproduceren en we gaven een theoretische verklaring waarom deze energieconfiguraties zich vormen met enkel- en dubbellaags grafeen, " legt MYOUNG Nojoon uit, eerste co-auteur van deze studie. "Dit model biedt een maatstaf tussen spanningen en energie in spectroscopische metingen, en we geloven dat dit een fundamentele stap is om de elektronische eigenschappen van grafeen verder te bestuderen."