Al meer dan een decennium, theoretische natuurkundigen hebben voorspeld dat de Van Hove-singulariteit van grafeen geassocieerd kan worden met verschillende exotische fasen van materie, de meest opvallende daarvan is chirale supergeleiding.

Een van Hove-singulariteit is in wezen een niet-glad punt in de toestandsdichtheid (DOS) van een kristallijne vaste stof. Wanneer grafeen dit specifieke energieniveau bereikt of in de buurt komt, een platte band ontwikkelt zich in zijn elektronische structuur die een uitzonderlijk groot aantal elektronen kan bezetten. Dit leidt tot sterke interacties tussen veel lichamen die het bestaan ​​van exotische toestanden van materie bevorderen of mogelijk maken.

Tot dusver, de exacte mate waarin de beschikbare energieniveaus van grafeen moeten worden gevuld met elektronen (d.w.z. "gedoteerd") om afzonderlijke fasen te stabiliseren, was zeer moeilijk te bepalen met behulp van modelberekeningen. Het identificeren of ontwerpen van technieken die kunnen worden gebruikt om grafeen naar of voorbij de singulariteit van Van Hove te doteren, zou uiteindelijk kunnen leiden tot interessante observaties met betrekking tot exotische fasen van materie, wat op zijn beurt de weg zou kunnen effenen voor de ontwikkeling van nieuwe op grafeen gebaseerde technologie.

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart, Duitsland heeft onlangs een benadering ontwikkeld om grafeen te dopen buiten de singulariteit van Van Hove. hun methode, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , combineert twee verschillende technieken, namelijk ytterbium-intercalatie en kaliumadsorptie.

"Een experimenteel afstembare elektronendichtheid in de buurt van de Van Hove-singulariteit zou zeer wenselijk zijn, Philip Rosenzweig, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Eerdere experimenten hebben aangetoond dat grafeen inderdaad kan worden gestabiliseerd ('gepind') op het van Hove-niveau en dat ladingsdragers vervolgens uit dit pinning-scenario kunnen worden verwijderd. De vraag die we stelden, echter, kunnen we ook meer elektronen op de grafeenlaag overbrengen, de van Hove-pinning en over-dope voorbij de singulariteit overwinnen? Afgezien van het pure proof of principle, dit zou een onontgonnen speelterrein van gecorreleerde fasen met opwindende beloften openen."

Het dopen van grafeen tot de singulariteit van Van Hove is een uitdagende taak op zich, omdat het de overdracht van meer dan 100 biljoen (10 ¹⁴ ) elektronen per cm ² op de grafeenlaag. De dotering van grafeen kan worden bereikt door er andere atoomsoorten op te deponeren, die er een deel van hun elektronen aan afstaan.

Een alternatieve methode om grafeen te doteren, bekend als intercalatie, omvat het sandwichen van dopingmiddelen tussen grafeen en het ondersteunende substraat. In het afgelopen decennium is deze techniek is zeer nuttig gebleken voor het afstemmen van de elektronische eigenschappen van het materiaal.

Typisch, zelfs wanneer depositie- en intercalatiebenaderingen worden gecombineerd, de dragerdichtheid van grafeen is moeilijk te verhogen tot een willekeurige waarde. Dit komt voornamelijk omdat de ladingoverdracht uiteindelijk zal verzadigen, voorkomen dat het boven een bepaald niveau wordt gedoteerd.

"Onlangs, ontdekten we dat de intercalatie van bepaalde zeldzame-aarde-elementen, vanwege hun enorme dopingefficiëntie, is al voldoende om grafeen vast te pinnen op zijn van Hove-singulariteit, " zei Rosenzweig. "In dat geval, het oppervlak van grafeen blijft nog steeds vrij om extra doteermiddelen te bezetten. Uitgaande van het van Hove-scenario van ytterbium-geïntercaleerd grafeen, door kaliumatomen erop af te zetten, zo konden we de dragerdichtheid met nog een factor 1,5 verhogen, gaat veel verder dan het singulariteitsniveau."

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten ytterbium-intercalatie en kaliumadsorptiemethoden. Met deze benadering konden ze een laag grafeen doteren die op een halfgeleidend siliciumcarbide (SiC) -substraat was geplaatst voorbij de singulariteit van Van Hove, het bereiken van een ladingsdragerdichtheid van 5,5 x 10 ¹⁴ cm ^-2 .

"Je zou de strategie die we gebruikten kunnen vergelijken met een situatie in het dagelijks leven waarin een omvangrijk object de trap op naar de bovenste verdieping moet worden gedragen (in ons geval, voorbij de singulariteit van Van Hove), Rosenzweig legde uit. "Dit kan alleen mogelijk worden door gelijktijdig van onderaf te duwen (d.w.z. ytterbium-intercalatie) en trekken van bovenaf (d.w.z. kaliumadsorptie)."

De studie uitgevoerd door Rosenzweig en zijn collega's bewijst dat het doping van grafeen buiten zijn Van Hove-singulariteit in een experimentele setting in feite mogelijk is. De onderzoekers onderzochten hun grafeensysteem met behulp van een techniek die hoek-opgeloste foto-elektronspectroscopie wordt genoemd, in tests uitgevoerd op de BESSY II-synchrotron, Helmholtz Zentrum Berlijn. Deze methode maakt de directe visualisatie van de energiebandstructuur van grafeen en de evolutie ervan door doping mogelijk.

"De haalbaarheid van overdoping was voorheen verre van duidelijk, aangezien het systeem eerst wordt vastgepind op het singulariteitsniveau dat een groot aantal ladingsdragers in beslag neemt, " zei Rosenzweig. "Praktisch, door de doping van grafeen naar een nieuw niveau te tillen, onze studie opent ook een nieuw en onontgonnen landschap in het fasediagram van dit prototype tweedimensionale materiaal. Als zodanig, we hopen dat ons werk zal bijdragen aan het versterken van de zoektocht naar gecorreleerde grondtoestanden in monolaag grafeen, wat zeker van belang zou zijn in verschillende deelgebieden in de natuurkunde."

In de toekomst, de bevindingen verzameld door Rosenzweig en zijn collega's zouden nieuwe opwindende mogelijkheden kunnen openen voor de studie van exotische toestanden van materie in grafeen dat is gedoteerd buiten zijn Van Hove-singulariteit. Bovendien, deze recente studie zou het huidige begrip van de sterke niet-lokale interacties tussen veel lichamen in van Hove-gedoteerde grafeen kunnen verbeteren, waarvan is vastgesteld dat ze aanzienlijke kromtrekkende effecten hebben op de energieniveaus. De onderzoekers toonden aan dat dergelijke effecten nog steeds aanwezig zijn in het overgedoteerde regime en dat ze steeds meer worden naarmate grafeen de singulariteit van Van Hove nadert. De gegevens die ze verzamelden, zouden dus ook kunnen inspireren tot de ontwikkeling van nieuwe theoretische modellen die verder gaan dan de conventionele Fermi-vloeistoftheorie.

"Nu we het dopingniveau routinematig kunnen afstemmen in experimenten rond het van Hove-niveau, we zoeken naar een van de verschillende exotische fasen die door de theorie worden voorspeld, ' concludeerde Rosenzweig. 'Om op de sterren te schieten, het realiseren van onconventionele supergeleiding in een epitaxiale grafeenmonolaag zou natuurlijk een baanbrekende ontdekking zijn die op een dag zou kunnen leiden tot technologische toepassingen. In elk geval, Er breken spannende tijden aan voor van-Hove gedoteerd grafeen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk