Onderzoekers van Columbia Engineering, experts in het manipuleren van materie op nanoschaal, hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de natuurkunde en materiaalkunde, onlangs gemeld in Natuur Nanotechnologie . Werken met collega's van Princeton en Purdue Universities en Istituto Italiano di Tecnologia, het team heeft "kunstmatig grafeen" ontwikkeld door opnieuw te creëren, Voor de eerste keer, de elektronische structuur van grafeen in een halfgeleiderapparaat.

"Deze mijlpaal definieert een nieuwe state-of-the-art in de wetenschap van gecondenseerde materie en nanofabricage, " zegt Aron Pinczuk, hoogleraar toegepaste natuurkunde en natuurkunde aan Columbia Engineering en senior auteur van de studie. "Hoewel kunstmatig grafeen is aangetoond in andere systemen zoals optische, moleculair, en fotonische roosters, deze platforms missen de veelzijdigheid en het potentieel van halfgeleiderverwerkingstechnologieën. Kunstmatige halfgeleider-grafeenapparaten kunnen platforms zijn om nieuwe soorten elektronische schakelaars te verkennen, transistors met superieure eigenschappen, en zelfs, misschien, nieuwe manieren om informatie op te slaan op basis van exotische kwantummechanische toestanden."

De ontdekking van grafeen in de vroege jaren 2000 zorgde voor enorme opwinding in de natuurkundige gemeenschap, niet alleen omdat het de eerste real-world realisatie was van een echt tweedimensionaal materiaal, maar ook omdat de unieke atomaire rangschikking van de koolstofatomen in grafeen een platform bood voor het testen van nieuwe kwantumfenomenen die moeilijk waar te nemen zijn in conventionele materiaalsystemen. Met zijn ongebruikelijke elektronische eigenschappen - zijn elektronen kunnen grote afstanden afleggen voordat ze worden verstrooid - is grafeen een uitstekende geleider. Deze eigenschappen vertonen ook andere unieke eigenschappen die ervoor zorgen dat elektronen zich gedragen alsof het relativistische deeltjes zijn die dicht bij de lichtsnelheid bewegen, het verlenen van exotische eigenschappen die "reguliere, "niet-relativistische elektronen hebben dat niet.

Maar grafeen, een natuurlijke stof, komt in slechts één atomaire rangschikking:de posities van de atomen in het grafeenrooster zijn vast, en dus moeten alle experimenten met grafeen zich aanpassen aan die beperkingen. Anderzijds, in kunstmatig grafeen kan het rooster worden ontworpen over een breed scala aan afstanden en configuraties, waardoor het een soort heilige graal is voor onderzoekers van gecondenseerde materie, omdat het meer veelzijdige eigenschappen zal hebben dan het natuurlijke materiaal.

"Dit is een snel groeiend onderzoeksgebied, en we ontdekken nieuwe fenomenen die voorheen niet toegankelijk waren, " zegt Shalom Wind, faculteitslid van de afdeling toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde en co-auteur van de studie. "Terwijl we nieuwe apparaatconcepten onderzoeken op basis van elektrische besturing van kunstmatig grafeen, we kunnen het potentieel ontsluiten om grenzen te verleggen in geavanceerde opto-elektronica en gegevensverwerking."

"Dit werk is echt een grote vooruitgang op het gebied van kunstmatig grafeen. Sinds de eerste theoretische voorspelling dat een systeem met grafeenachtige elektronische eigenschappen kunstmatig kan worden gecreëerd en afgestemd met 2D-elektronengas met patronen, niemand was erin geslaagd, tot het werk van Columbia, door deze kenmerken direct te observeren in gemanipuleerde halfgeleider nanostructuren, " zegt Steven G. Louie, hoogleraar natuurkunde, Universiteit van Californië, Berkeley. "Eerder werk met moleculen, atomen en fotonische structuren vertegenwoordigen veel minder veelzijdige en stabiele systemen. De nano-gefabriceerde halfgeleiderstructuren bieden enorme mogelijkheden voor het verkennen van spannende nieuwe wetenschap en praktische toepassingen."

De onderzoekers gebruikten de tools van conventionele chiptechnologie om het kunstmatige grafeen te ontwikkelen in een standaard halfgeleidermateriaal, galliumarsenide. Ze ontwierpen een gelaagde structuur zodat de elektronen alleen binnen een zeer smalle laag konden bewegen, effectief een 2D-blad maken. Ze gebruikten nanolithografie en etsen om het galliumarsenide te modelleren:het patroon creëerde een hexagonaal rooster van plaatsen waarin de elektronen in de laterale richting waren opgesloten. Door deze sites te plaatsen, die kunnen worden gezien als "kunstmatige atomen, " voldoende dicht bij elkaar (~ 50 nanometer uit elkaar), deze kunstmatige atomen kunnen kwantummechanisch interageren, vergelijkbaar met de manier waarop atomen hun elektronen in vaste stoffen delen.

Het team onderzocht de elektronische toestanden van de kunstmatige roosters door er laserlicht op te schijnen en het verstrooide licht te meten. Het verstrooide licht vertoonde een energieverlies dat overeenkwam met overgangen in de elektronenenergie van de ene toestand naar de andere. Toen ze deze overgangen in kaart brachten, het team ontdekte dat ze op een lineaire manier nul naderden rond wat het "Dirac-punt" wordt genoemd, waar de elektronendichtheid verdwijnt, een kenmerk van grafeen.

Dit kunstmatige grafeen heeft verschillende voordelen ten opzichte van natuurlijk grafeen:onderzoekers kunnen variaties in het honingraatrooster ontwerpen om elektronisch gedrag te moduleren. En omdat de afstand tussen de kwantumstippen veel groter is dan de interatomaire afstand in natuurlijk grafeen, Met het aanleggen van een magnetisch veld kunnen onderzoekers nog meer exotische kwantumverschijnselen waarnemen.

De ontdekking van nieuwe laagdimensionale materialen, zoals grafeen en andere ultradunne, gelaagde Van der Waals-films die opwindende nieuwe fysieke fenomenen vertonen die voorheen ontoegankelijk waren, de basis gelegd voor dit onderzoek. "Wat echt cruciaal was voor ons werk, waren de indrukwekkende vorderingen in nanofabricage, " merkt Pinczuk op. "Deze bieden ons een steeds groter wordende gereedschapskist voor het creëren van een groot aantal patronen van hoge kwaliteit op nanoschaaldimensies. Dit is een opwindende tijd om als natuurkundige in ons vakgebied te werken."