Wetenschappers bestuderen twee verschillende configuraties van dubbellaags grafeen:het tweedimensionale (2D), atoomdunne vorm van koolstof hebben elektronische en optische tussenlaagresonanties gedetecteerd. In deze resonantietoestanden, elektronen kaatsen met dezelfde frequentie heen en weer tussen de twee atomaire vlakken in de 2D-interface. Door deze staten te karakteriseren, ze ontdekten dat het draaien van een van de grafeenlagen met 30 graden ten opzichte van de andere, in plaats van de lagen direct op elkaar te stapelen, verschuift de resonantie naar een lagere energie. Uit dit resultaat, net gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze concludeerden dat de afstand tussen de twee lagen aanzienlijk toenam in de gedraaide configuratie, vergeleken met de gestapelde. Als deze afstand verandert, net als de interacties tussen de lagen, beïnvloeden hoe elektronen bewegen in het dubbellaagssysteem. Een goed begrip van deze elektronenbeweging zou kunnen bijdragen aan het ontwerp van toekomstige kwantumtechnologieën voor krachtigere computers en veiligere communicatie.

"De computerchips van vandaag zijn gebaseerd op onze kennis van hoe elektronen in halfgeleiders bewegen, specifiek silicium, " zei eerste en co-corresponderende auteur Zhongwei Dai, een postdoc in de Interface Science and Catalysis Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). "Maar de fysieke eigenschappen van silicium bereiken een fysieke limiet in termen van hoe kleine transistors kunnen worden gemaakt en hoeveel er op een chip passen. Als we kunnen begrijpen hoe elektronen op de kleine schaal van enkele nanometers in de gereduceerde afmetingen van 2D materialen, we kunnen misschien een andere manier ontsluiten om elektronen te gebruiken voor kwantuminformatiewetenschap."

Op enkele nanometers of miljardsten van een meter, de grootte van een materiaalsysteem is vergelijkbaar met die van de golflengte van elektronen. Wanneer elektronen zijn opgesloten in een ruimte met afmetingen van hun golflengte, de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal veranderen. Deze kwantumbegrenzingseffecten zijn het resultaat van kwantummechanische golfachtige beweging in plaats van klassieke mechanische beweging, waarin elektronen door een materiaal bewegen en worden verstrooid door willekeurige defecten.

Voor dit onderzoek is het team selecteerde een eenvoudig materiaalmodel - grafeen - om kwantumopsluitingseffecten te onderzoeken, toepassen van twee verschillende sondes:elektronen en fotonen (lichtdeeltjes). Om zowel elektronische als optische resonanties te onderzoeken, ze gebruikten een speciaal substraat waarop het grafeen kon worden overgebracht. Co-corresponderende auteur en CFN Interface Science and Catalysis Group-wetenschapper Jurek Sadowski had dit substraat eerder ontworpen voor de Quantum Material Press (QPress). De QPress is een geautomatiseerd hulpmiddel in ontwikkeling in de CFN Materials Synthesis and Characterization Facility voor de synthese, verwerken, en karakterisering van gelaagde 2D-materialen. conventioneel, wetenschappers exfoliëren 2D-materiaal "vlokken" van 3D-ouderkristallen (bijv. grafeen uit grafiet) op een siliciumdioxidesubstraat van enkele honderden nanometers dik. Echter, deze ondergrond is isolerend, en dus op elektronen gebaseerde ondervragingstechnieken werken niet. Dus, Sadowski en CFN-wetenschapper Chang-Yong Nam en afgestudeerde student aan de Stony Brook University Ashwanth Subramanian legden een geleidende laag titaniumoxide af van slechts drie nanometer dik op het siliciumdioxidesubstraat.

"Deze laag is transparant genoeg voor optische karakterisering en bepaling van de dikte van geëxfolieerde vlokken en gestapelde monolagen, terwijl hij geleidend genoeg is voor elektronenmicroscopie of op synchrotron gebaseerde spectroscopietechnieken, ", legt Sadowski uit.

In de Charlie Johnson Group aan de Universiteit van Pennsylvania, Rebecca W. Bushnell, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde Charlie Johnson, postdoc Qicheng Zhang, en voormalig postdoc Zhaoli Gao (nu een assistent-professor aan de Chinese Universiteit van Hong Kong) - liet het grafeen op metaalfolie groeien en bracht het over op het titaniumoxide / siliciumdioxide-substraat. Wanneer grafeen op deze manier wordt gekweekt, alle drie de domeinen (enkellaags, gestapeld, en gedraaid) aanwezig zijn.

Vervolgens, Dai en Sadowski ontwierpen en voerden experimenten uit waarbij ze met een lage-energie-elektronenmicroscoop (LEEM) elektronen in het materiaal schoten en de gereflecteerde elektronen detecteerden. Ze vuurden ook fotonen af ​​van een op laser gebaseerde optische microscoop met een spectrometer in het materiaal en analyseerden het spectrum van teruggestrooid licht. Deze confocale Raman-microscoop maakt deel uit van de QPress-catalogus, die samen met beeldanalysesoftware, kan de locaties van voorbeeldgebieden van belang lokaliseren.

"De QPress Raman-microscoop stelde ons in staat om snel het doelmonstergebied te identificeren, ons onderzoek versnellen, ’ zei Dai.

Hun resultaten suggereerden dat de afstand tussen de lagen in de gedraaide grafeenconfiguratie met ongeveer zes procent toenam ten opzichte van de niet-gedraaide configuratie. Berekeningen door theoretici van de Universiteit van New Hampshire bevestigden het unieke resonerende elektronische gedrag in de gedraaide configuratie.

"Apparaten gemaakt van geroteerd grafeen kunnen zeer interessante en onverwachte eigenschappen hebben vanwege de grotere afstand tussen de lagen waarin elektronen kunnen bewegen, ' zei Sadowski.

Volgende, het team zal apparaten fabriceren met het gedraaide grafeen. Het team zal ook voortbouwen op de eerste experimenten die zijn uitgevoerd door CFN-stafwetenschapper Samuel Tenney en CFN-postdocs Calley Eads en Nikhil Tiwale om te onderzoeken hoe het toevoegen van verschillende materialen aan de gelaagde structuur de elektronische en optische eigenschappen ervan beïnvloedt.

"In dit eerste onderzoek we hebben het eenvoudigste 2D-materiaalsysteem gekozen dat we kunnen synthetiseren en controleren om te begrijpen hoe elektronen zich gedragen, " zei Dai. "We zijn van plan om door te gaan met dit soort fundamentele studies, hopelijk licht werpen op het manipuleren van materialen voor kwantumcomputers en communicatie."