Er zijn nieuwe materialen nodig om elektronische componenten verder te verkleinen en zo apparaten als laptops en smartphones sneller en efficiënter te maken. Kleine nanostructuren van het nieuwe materiaal grafeen zijn in dit opzicht veelbelovend. Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen en, onder andere, heeft een zeer hoge elektrische geleidbaarheid. Echter, de extreme ruimtelijke opsluiting in dergelijke nanostructuren heeft een sterke invloed op hun elektronische eigenschappen. Een team onder leiding van professor Michael Bonitz van het Institute for Theoretical Physics and Astrophysics (ITAP) aan de Universiteit van Kiel is er nu in geslaagd om het gedetailleerde gedrag van elektronen in deze speciale nanostructuren te simuleren met behulp van een uitgebreid computermodel. Deze kennis is cruciaal voor het mogelijke gebruik van grafeen-nanostructuren in elektronische apparaten.

Nauwkeurige simulatie van de eigenschappen van elektronen in nanostructuren

Vorig jaar, twee onderzoeksteams zijn er onafhankelijk van elkaar in geslaagd om smalle, atomair nauwkeurige grafeen nanoribbons en het meten van hun elektronenenergieën. De breedte van de nanoribbons varieert op een nauwkeurig gecontroleerde manier. Elke sectie van de nanoribbons heeft zijn eigen energietoestanden met hun eigen elektronische structuur. "Echter, de meetresultaten konden niet volledig worden gereproduceerd door eerdere theoretische modellen, " zegt Bonitz, die aan het hoofd staat van de leerstoel statistische fysica bij ITAP. Samen met zijn Ph.D. student Jan-Philip Joost en hun Deense collega Professor Antti-Pekka Jauho van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), ze ontwikkelden een verbeterd model dat leidde tot een uitstekende overeenstemming met de experimenten. De natuurkundigen presenteren hun theoretische resultaten in het huidige nummer van het gerenommeerde tijdschrift Nano-letters .

De basis voor de nieuwe en nauwkeurigere computersimulaties was de veronderstelling dat de afwijkingen tussen het experiment en eerdere modellen werden veroorzaakt door de details van de wederzijdse afstoting van de elektronen. Hoewel deze Coulomb-interactie ook in metalen voorkomt, en inderdaad op een ruwe manier in eerdere simulaties was opgenomen, het effect is veel groter in de kleine grafeen nanoribbons, en vereist een gedetailleerde analyse. De elektronen worden uit hun oorspronkelijke energietoestand verdreven en moeten op zoek naar andere plaatsen, zoals Bonitz uitlegt:"We waren in staat om te bewijzen dat correlatie-effecten als gevolg van de Coulomb-interactie van de elektronen een dramatische invloed hebben op het lokale energiespectrum".

De vorm van nanoribbons bepaalt hun elektronische eigenschappen

Hoe de toelaatbare energiewaarden van de elektronen afhangen van de lengte, breedte, en de vorm van de nanostructuren is door het team opgehelderd door veel van dergelijke nanoribbons te onderzoeken. "Het energiespectrum verandert ook wanneer de geometrie van de nanolinten, hun breedte, en vorm, wordt gewijzigd, ", vult Joost aan. "Voor het eerst met onze nieuwe gegevens kunnen nauwkeurige voorspellingen worden gedaan over hoe het energiespectrum kan worden gecontroleerd door specifiek de vorm van de nanolinten te variëren, ", zegt Jauho van de DTU in Kopenhagen. De onderzoekers hopen dat deze voorspellingen nu ook experimenteel worden getest en leiden tot de ontwikkeling van nieuwe nanostructuren. Dergelijke systemen kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de verdere miniaturisering van elektronica.