Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Columbia University heeft een techniek ontwikkeld om de elektrische geleidbaarheid van grafeen te manipuleren met compressie, waardoor het materiaal een stap dichter bij een levensvatbare halfgeleider komt voor gebruik in de elektronische apparaten van vandaag.

"Grafeen is de beste elektrische geleider die we op aarde kennen, " zei Matthew Yankowitz, een postdoctoraal onderzoeker op de afdeling natuurkunde van Columbia en eerste auteur van het onderzoek. "Het probleem is dat het te goed is in het geleiden van elektriciteit, en we weten niet hoe we het effectief kunnen stoppen. Ons werk legt voor het eerst een route vast om een ​​technologisch relevante band gap in grafeen te realiseren zonder afbreuk te doen aan de kwaliteit ervan. Aanvullend, indien toegepast op andere interessante combinaties van 2D-materialen, de techniek die we gebruikten kan leiden tot nieuwe opkomende fenomenen, zoals magnetisme, supergeleiding, en meer."

De studie, gefinancierd door de National Science Foundation en de David en Lucille Packard Foundation, verschijnt in het nummer van 17 mei van Natuur .

De ongebruikelijke elektronische eigenschappen van grafeen, een tweedimensionaal (2-D) materiaal bestaande uit hexagonaal gebonden koolstofatomen, hebben de natuurkundegemeenschap enthousiast gemaakt sinds de ontdekking ervan meer dan tien jaar geleden. Grafeen is het sterkste, dunste materiaal dat er bestaat. Het is toevallig ook een superieure geleider van elektriciteit - de unieke atomaire rangschikking van de koolstofatomen in grafeen zorgt ervoor dat de elektronen gemakkelijk met extreem hoge snelheid kunnen reizen zonder de grote kans op verstrooiing, het besparen van kostbare energie die typisch verloren gaat in andere geleiders.

Maar het uitschakelen van de transmissie van elektronen door het materiaal zonder de gunstige eigenschappen van grafeen te veranderen of op te offeren, is tot nu toe niet succesvol gebleken.

"Een van de grote doelen in grafeenonderzoek is om een ​​manier te vinden om alle goede dingen over grafeen te behouden, maar ook om een ​​band gap te creëren - een elektrische aan-uitschakelaar, " zei Cory Dean, assistent-professor natuurkunde aan de Columbia University en de hoofdonderzoeker van de studie. Hij legde uit dat eerdere pogingen om grafeen te modificeren om zo'n band gap te creëren de intrinsiek goede eigenschappen van grafeen hebben aangetast. waardoor het veel minder bruikbaar is. Eén bovenbouw is veelbelovend, echter. Wanneer grafeen is ingeklemd tussen lagen boornitride (BN), een atomair dunne elektrische isolator, en de twee materialen zijn roterend uitgelijnd, het is aangetoond dat de BN de elektronische structuur van het grafeen wijzigt, het creëren van een bandgap waardoor het materiaal zich als een halfgeleider kan gedragen, dat wil zeggen, zowel als elektrische geleider en als isolator. De band gap die alleen door deze gelaagdheid wordt gecreëerd, echter, is niet groot genoeg om bruikbaar te zijn bij de werking van elektrische transistorinrichtingen bij kamertemperatuur.

In een poging om deze band gap te vergroten, Yankowitz, Decaan, en hun collega's van het National High Magnetic Field Laboratory, de Universiteit van Seoul in Korea, en de Nationale Universiteit van Singapore, comprimeerde de lagen van de BN-grafeenstructuur en ontdekte dat het uitoefenen van druk de bandafstand aanzienlijk vergroot, het effectiever blokkeren van de stroom van elektriciteit door het grafeen.

"Als we knijpen en druk uitoefenen, de bandkloof groeit, "Zei Yankowitz. "Het is nog steeds niet groot genoeg - een schakelaar die sterk genoeg is - om te worden gebruikt in transistorapparaten bij kamertemperatuur, maar we hebben een fundamenteel beter begrip gekregen van waarom deze bandkloof überhaupt bestaat, hoe het kan worden afgesteld, en hoe we ons daar in de toekomst op kunnen richten. Transistors zijn alomtegenwoordig in onze moderne elektronische apparaten, dus als we een manier kunnen vinden om grafeen als transistor te gebruiken, zou dat wijdverbreide toepassingen hebben."

Yankowitz voegde eraan toe dat wetenschappers al jaren experimenten uitvoeren onder hoge druk in conventionele driedimensionale materialen, maar niemand had nog een manier bedacht om ze met 2D-materialen te doen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers kunnen testen hoe het toepassen van verschillende drukgraden de eigenschappen van een groot aantal combinaties van gestapelde 2D-materialen verandert.

"Elke opkomende eigenschap die het gevolg is van de combinatie van 2D-materialen zou sterker moeten worden naarmate de materialen worden gecomprimeerd, "Zei Yankowitz. "We kunnen nu elk van deze willekeurige structuren nemen en ze uitknijpen en de kracht van het resulterende effect is afstembaar. We hebben een nieuwe experimentele tool toegevoegd aan de toolbox die we gebruiken om 2D-materialen te manipuleren en die tool opent grenzeloze mogelijkheden voor het maken van apparaten met designereigenschappen."