Wetenschappers van HZB hebben bewijs gevonden dat dubbele lagen grafeen de eigenschap hebben dat ze stroom volledig zonder weerstand kunnen geleiden. Ze onderzochten de bandstructuur bij BESSY II met ARPES met extreem hoge resolutie en konden een vlak gebied op een verrassende locatie identificeren. Hun onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Koolstofatomen kunnen op verschillende manieren bindingen vormen. Zuivere koolstof kan dus in vele vormen voorkomen, inclusief diamant, grafiet, nanobuisjes, voetbalmoleculen of als een honingraatnet met zeshoekige mazen, bekend als grafeen. Deze exotische, strikt tweedimensionaal materiaal geleidt elektriciteit goed, maar is geen supergeleider. Maar misschien kan dit veranderd worden.

Een ingewikkelde optie voor supergeleiding

In april 2018, een groep van het MIT in de VS toonde aan dat het mogelijk is om onder zeer specifieke omstandigheden een vorm van supergeleiding te genereren in een systeem van twee lagen grafeen. Om dit te doen, de twee zeshoekige netten moeten in een hoek van 1,1 graad tegen elkaar worden gedraaid. Onder deze voorwaarde, een platte band vormt zich in de elektronische structuur. De voorbereiding van monsters uit twee lagen grafeen met zo'n precies afgestelde draaiing is complex, en niet geschikt voor massaproductie. Hoe dan ook, het onderzoek heeft veel aandacht getrokken van experts.

De eenvoudige manier om banden plat te maken

Maar er is er nog een, veel eenvoudigere manier van platte bandvorming. Dit werd aangetoond door een groep op de HZB rond Prof. Oliver Rader en Dr. Andrei Varykhalov met onderzoeken bij BESSY II.

De monsters werden verstrekt door Prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Daar worden ze geproduceerd met een proces dat ook geschikt is voor de productie van grotere oppervlakken en in grote hoeveelheden:Een siliciumcarbidekristal wordt verhit totdat siliciumatomen van het oppervlak verdampen, eerst een enkele laag grafeen op het oppervlak achterlatend, en dan een tweede laag grafeen. De twee grafeenlagen zijn niet tegen elkaar gedraaid, maar liggen precies op elkaar.

De bandstructuur scannen met ARPES

Bij BESSY II, de natuurkundigen kunnen de zogenaamde bandstructuur van het monster scannen. Deze bandstructuur geeft informatie over hoe de ladingsdragers zijn verdeeld over de kwantummechanisch toegestane toestanden en welke ladingsdragers überhaupt beschikbaar zijn voor transport. De hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) bij BESSY II maakt dergelijke metingen met een extreem hoge resolutie mogelijk.

Via een exacte analyse van de bandstructuur, ze identificeerden een gebied dat eerder over het hoofd was gezien. "De dubbele laag grafeen is eerder bestudeerd omdat het een halfgeleider is met een bandgap, " legt Varykhalov uit. "Maar op het ARPES-instrument bij BESSY II, de resolutie is hoog genoeg om het vlakke gebied naast deze band gap te herkennen."

"Het is een gecontroleerde eigenschap van een goed bestudeerd systeem, "zegt eerste auteur Dr. Dmitry Marchenko. "Het was voorheen onbekend dat er een vlak gebied in de bandstructuur is in zo'n eenvoudig bekend systeem."

Dit vlakke gebied is een voorwaarde voor supergeleiding, maar alleen als het precies bij de zogenaamde Fermi-energie ligt. In het geval van het tweelaags grafeen, het energieniveau is slechts 200 milli-elektron volt onder de Fermi-energie, maar het is mogelijk om het energieniveau van het vlakke gebied te verhogen tot de Fermi-energie, hetzij door dotering met vreemde atomen of door een externe spanning aan te leggen, de zogenaamde poortspanning.

De natuurkundigen hebben ontdekt dat de interacties tussen de twee grafeenlagen en tussen grafeen en het siliciumcarbiderooster samen verantwoordelijk zijn voor de vorming van het platte bandgebied. "We kunnen dit gedrag voorspellen met heel weinig parameters en kunnen dit mechanisme gebruiken om de bandstructuur te regelen, ", voegt Oliver Rader toe.