Op een verder normale dag in het lab, Eva Andrei had niet verwacht een grote ontdekking te doen. Andrej, hoogleraar natuurkunde aan de Rutgers University, gebruikte grafiet – het materiaal in potloden – om een ​​scanning tunneling microscoop te kalibreren. Als onderdeel van het proces, ze zette een zeer krachtig magnetisch veld aan. Toen ze opkeek om het elektronische spectrum van het materiaal te zien, ze was verbaasd. "We zagen enorme, mooie toppen daar, gewoon ongelooflijk. En ze hadden geen zin, " herinnerde ze zich.

Herinnerend aan een lezing die ze onlangs had bijgewoond, ze besefte dat het grafiet was opgedeeld in vellen van slechts één atoom dik. Dit materiaal, bekend als grafeen, heeft bizarre elektronische eigenschappen. Maar zelfs voor grafeen, het spectrum dat ze zag was vreemd. In feite, niemand had ooit eerder zoiets gezien. Zoals Andrei het beschreef, haar collega "werd gek in de gang en riep gewoon 'Graphene!'" Andrei had een toevallige ontdekking gedaan - een nieuw elektrisch fenomeen.

Dit was noch de eerste noch de laatste keer dat de beweging van elektronen in grafeen wetenschappers zou verrassen en opgetogen. Een van de meest indrukwekkende dingen over grafeen is hoe snel elektronen er doorheen bewegen. Ze reizen er meer dan 100 keer sneller doorheen dan door het silicium dat wordt gebruikt om computerchips te maken. In theorie, dit suggereert dat fabrikanten grafeen zouden kunnen gebruiken om supersnelle transistors te maken voor snellere, dunner, krachtigere touchscreens, elektronica, en zonnecellen.

Maar wat grafeen zo geweldig maakt, belemmert ook het gebruik ervan:elektronen stromen te gemakkelijk door de honingraatstructuur. In tegenstelling tot silicium, grafeen mist een bandgap. Bandgaps zijn de hoeveelheid energie die een elektron moet krijgen om zichzelf van een atoom te bevrijden en naar andere atomen te gaan om een ​​stroom te geleiden. Als tol op een snelweg, elektronen moeten "betalen" met energie om verder te gaan. Elektronische apparaten gebruiken bandgaps als poorten om te bepalen waar en wanneer elektronen stromen. Bandgaten ontbreken, De structuur van grafeen werkt als een elektronensnelweg zonder stoptekens.

"De elektronen van grafeen zijn zo wild en kunnen niet worden getemd; het is moeilijk om een ​​opening te creëren, ' zei Andrei.

Dat ontbreken van een bandgap maakt grafeen momenteel erg moeilijk te gebruiken in moderne elektronica. Onderzoekers ondersteund door het Department of Energy (DOE's) Office of Science onderzoeken manieren om deze uitdaging te overwinnen en anderen om het elektronenverkeer van grafeen te sturen.

Elektronen die zich gedragen als lichtdeeltjes

Materialen die slechts een paar atomen dik zijn, werken fundamenteel anders dan grotere hoeveelheden van hetzelfde materiaal.

"De grootste uitdaging is om een ​​betrouwbaar begrip te hebben van de eigenschappen van de materialen, " zei Lilia Woods, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Zuid-Florida.

Zelfs voor een materiaal dat plat is, grafeen heeft een aantal vreemde kenmerken. Bij de meeste materialen, elektronen bewegen met verschillende snelheden. Maar in grafeen, ze bewegen allemaal met dezelfde snelheid. In feite, elektronen in grafeen gedragen zich alsof ze geen massa hebben, zoals lichtdeeltjes. Dat is een van de redenen waarom de elektronen zo snel bewegen en zo moeilijk te controleren zijn.

Het elektronenverkeer sturen

Het gedrag van grafeen bestuderen is één ding. Uitzoeken hoe het te manipuleren is een andere. Wetenschappers hebben verschillende manieren nagestreefd om de elektronen in grafeen te controleren:het ontwikkelen van nanoribbons, het uitrekken, door het te combineren met boornitride (een ander atoomhoog materiaal), en het toepassen van elektrische ladingen op lege ruimtes daarin. Wetenschappers volgen meerdere benaderingen omdat ze niet weten welke het beste zal werken. Ondertussen, elke benadering biedt zijn eigen unieke inzicht in de basiseigenschappen van grafeen.

Grafeen nanolinten

Het produceren van grafeen nanoribbons is een manier om een ​​materiaal te maken dat al onvoorstelbaar dun is, nog magerder. Deze linten behouden veel van de positieve eigenschappen van grafeen, terwijl ze wetenschappers mogelijk een betere controle geven over hoe de elektronen zich gedragen, inclusief het maken van bandgaps.

"Je kunt deze lintjes zien als elektronische circuitelementen, " zei Michael Crommie, een natuurkundige bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE (Berkeley Lab).

Het onderzoek naar nanolinten begon voordat wetenschappers zelfs maar in het laboratorium kwamen. Op basis van berekeningen, natuurkundigen theoretiseerden meer dan tien jaar geleden dat nanoribbons nieuwe manieren zouden kunnen bieden om de elektronische eigenschappen van grafeen te manipuleren. Experimentalisten hebben dit idee bevestigd door nanolinten te ontwikkelen met consistente, schone randen.

Bijvoorbeeld, onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin en elders ontwikkelden grafeen nanoribbons die een bandgap vertoonden. Ze toonden aan dat wanneer de breedte van een nanolint kleiner is dan drie nanometer, over de dikte van een DNA-streng, het ontwikkelt een aanzienlijke bandgap. Het wordt ook een halfgeleider. In tegenstelling tot de elektronensnelweg van grafeen, halfgeleiders kunnen heen en weer schakelen tussen het wel of niet geleiden van elektriciteit. Hoe smaller het lint, hoe groter de kloof of de "energietol" die elektronen nodig hebben.

Maar een uitdaging is hoe je een enkel nanolint kunt maken dat meerdere breedtes heeft en dus regio's met verschillende bandgaps. Nanolinten met een enkele breedte geven wetenschappers niet het niveau van controle dat nodig is om complexe schakelingen te ontwerpen. Om dit probleem op te lossen, Wetenschappers van Berkeley Lab hebben lintsegmenten met verschillende breedtes samengesmolten. Deze "bandgap-engineering" is essentieel voor de productie van halfgeleiderapparaten en een grote stap in de richting van het gebruik van grafeen in circuits.

Deze nanolinten kunnen niet op zichzelf worden gebruikt, dus wetenschappers onderzoeken momenteel hoe nanoribbons interageren met verschillende oppervlakken. Onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Florida bestudeerden grafeen nanoribbons op siliciumcarbide (SiC) substraten. Ze ontdekten dat hoe bepaalde randen van nanoribbons aan het SiC-substraat hechten, de bandgap beïnvloeden. Nanolinten met verschillende breedtes en randen verankerd op verschillende substraten kunnen wetenschappers meer controle geven over de elektroneneigenschappen dan nanolinten die helemaal niet verankerd zijn.

Grafeen uitrekken

Het uitrekken van grafeen biedt een alternatief pad om de eigenschappen ervan te beheersen. Wanneer wetenschappers grafeen op een specifieke manier uitrekken, het vormt kleine belletjes waarin elektronen zich gedragen alsof ze zich in een zeer krachtig magnetisch veld bevinden. Deze bubbels bieden wetenschappers nieuwe mogelijkheden om het elektronenverkeer in grafeen te manipuleren.

Deze ontdekking was ook een compleet ongeluk. Een team van Berkeley Lab was toevallig een laag grafeen aan het groeien op het oppervlak van een platinakristal in een vacuümkamer. Terwijl onderzoekers het grafeen testten, ze merkten dat de elektronen zich vreemd gedroegen. In plaats van te bewegen zoals ze normaal doen in een vloeiend continuüm, de elektronen in de grafeen-nanobellen bundelden zich met zeer specifieke energieën. Toen onderzoekers hun resultaten vergeleken met wat de theorie suggereerde, ze ontdekten dat de elektronen zich gedroegen alsof ze zich in een ultrasterk magnetisch veld bevonden. Echter, er was geen echt magnetisch veld aanwezig.

Met grafeen, "vaak jagen we op één ding en vinden we iets totaal onverwachts, ' zei Crommie.

Koppelen met boornitride

Toen wetenschappers voor het eerst de eigenschappen van grafeen verkenden, ze plaatsten het bovenop siliciumdioxide. Omdat siliciumdioxide een veel voorkomende isolator is voor elektronische toepassingen, het leek een ideale match. Echter, het grafeen bereikte niet zijn volledige potentieel.

James Hon, een professor werktuigbouwkunde aan de Columbia University, herinnerde aan het denken, "Is er een gelaagd materiaal zoals grafeen dat een natuurlijke pasvorm zou zijn?"

Hone's team ontdekte uiteindelijk dat grafeen veel beter werkt als je het in plaats daarvan op boornitride doet. zoals grafeen, boornitride is slechts enkele atomen dik te maken en heeft dezelfde honingraatstructuur. Echter, het is een isolator die ervoor zorgt dat elektronen er niet doorheen kunnen bewegen.

Ze ontdekten dat het samenvoegen van boornitride en grafeen een nieuw materiaal kan opleveren waarvan de eigenschappen zeer flexibel zijn. Deze combinatie is zo veelbelovend dat Alex Zettl van Berkeley Lab grapte dat zijn lab nu "Boron Nitride R Us" is. Hij merkte op, "De invloed van boornitride op het grafeen is een zeer krachtig hulpmiddel."

Gewoon licht kan een manier zijn om elektronen in dit nieuwe composietmateriaal te beïnvloeden. Wetenschappers van Berkeley Lab hebben ontdekt dat ze licht van een eenvoudige lamp kunnen gebruiken om een ​​essentieel halfgeleiderapparaat te creëren dat een 'pn-overgang' wordt genoemd. P-n-overgangen hebben een kant die positief is en geen elektronen heeft en een andere kant die negatief is met extra elektronen. Door deze knooppunten zorgvuldig te ontwerpen, ingenieurs kunnen bepalen hoe en wanneer elektronen tussen de twee zijden van een materiaal bewegen. Ze zijn als de poorten die op en neer gaan bij een tolhuisje.

Wetenschappers realiseerden zich dat als ze vast konden zetten, statische ladingen in het boornitride op een specifieke manier, ze zouden een pn-overgang kunnen genereren in het nabijgelegen grafeen. Om de pn-overgang te maken, de wetenschappers bereidden eerst de grafeensnelweg voor om een ​​overmaat aan elektronen te hebben, of een n-type gebied zijn. Vervolgens, door een licht te laten schijnen op het onderliggende boornitride, ze creëerden een kuil, of p-type regio, in het grafeen. Dus met een lichtpuls en het boornitride als bemiddelaar, ze konden indien nodig pn-overgangen - tolpoorten - in het grafeen "schrijven".

Zelfs nadat wetenschappers het licht hadden uitgedaan, de activering van het boornitride en de invloed ervan op het elektronenverkeer in het nabijgelegen grafeen, bleef dagen op zijn plaats. De wetenschappers ontdekten ook dat ze deze kruispunten konden wissen en opnieuw creëren, die van belang kunnen zijn bij het ontwerpen van elektronische apparaten.

Nu gebruiken onderzoekers scanning tunneling microscopen, die tips van nanometerformaat gebruiken om elektriciteit te geleiden, om hetzelfde met meer precisie te doen.

Lege ruimtes in grafeen opladen

Door zijn unieke structuur, grafeen blijft stabiel, zelfs als wetenschappers er gaten in slaan. Andrei's team van de Rutgers University profiteerde van dit feit om een ​​"kunstmatig atoom" te creëren dat nabijgelegen elektronen in het onbeschadigde deel van grafeen beïnvloedt. Eerst, onderzoekers schoten helium naar grafeen op een substraat, het uitschakelen van een enkel koolstofatoom. Vervolgens gebruikten ze een scanning tunneling microscoop om een ​​positieve lading aan te brengen op het substraat onder de lege ruimte waar het ontbrekende atoom zich bevond. Als een echt atoom, die positieve lading beïnvloedde de banen van elektronen in het omringende grafeen. Het creëren van deze kunstmatige atomen zou een andere manier kunnen zijn waarop toekomstige apparaten de elektronenstroom in grafeen zouden kunnen regelen.

De toekomst van grafeen

Misschien wel de meest verrassende van deze wendingen is dat de toekomst misschien helemaal niet in grafeen ligt. Terwijl wetenschappers de unieke elektronische eigenschappen van grafeen onderzochten, ze ontdekten nieuwe extreem dunne materialen gemaakt van andere elementen dan koolstof. Als een materiaal slechts enkele atomen dik is en een honingraatstructuur heeft, het kan veel van de elektronische eigenschappen van grafeen aantonen. In feite, wetenschappers hebben materialen gevonden die gemaakt zijn van silicium, germanium, en tin die opvallend veel op grafeen lijken. Het gebruik van deze materialen alleen of in combinatie met grafeen kan betere eigenschappen bieden dan grafeen alleen.

Ondertussen, wetenschappers zullen de vreemde kenmerken van dit vaak verrassende materiaal blijven onderzoeken. Zoals Philip Kim, een natuurkundeprofessor aan de Harvard University zei:"[Graphene] biedt je altijd nieuwe, opwindende wetenschap die we niet hadden verwacht."