Niets ter wereld is perfect. Dit geldt ook voor materiaalonderzoek. Bij computersimulaties wordt een systeem vaak op een zeer geïdealiseerde manier weergegeven; je berekent bijvoorbeeld de eigenschappen die een absoluut perfect kristal zou hebben. In de praktijk hebben we echter altijd te maken met extra effecten:met defecten in het kristalrooster, met extra deeltjes die zich aan het materiaal hechten, met ingewikkelde interacties tussen de deeltjes. De cruciale vraag is daarom:veranderen deze onvermijdelijke extra effecten de materiaaleigenschappen of niet?

Dit is vooral interessant in het geval van het tweedimensionale materiaal grafeen, dat uit slechts één laag koolstofatomen bestaat. Het is al lang bekend dat grafeen uitstekende elektronische eigenschappen heeft. Hoe stabiel deze eigenschappen zijn, was tot nu toe echter onduidelijk. Worden ze vernietigd door verstoringen en bijkomende effecten, die in de praktijk onvermijdelijk zijn, of blijven ze intact?

Onderzoekers van de TU Wien (Wenen) zijn er nu in geslaagd een uitgebreid computermodel van realistische grafeenstructuren te ontwikkelen. Het bleek dat de gewenste effecten zeer stabiel zijn. Zelfs stukken grafeen die niet helemaal perfect zijn, kunnen goed worden gebruikt voor technologische toepassingen. Dit is goed nieuws voor de wereldwijde grafeengemeenschap. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Carbon .

Veel paden leiden door grafeen

"We berekenen op atomaire schaal hoe elektrische stroom zich voortplant in een klein stukje grafeen", zegt prof. Florian Libisch van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien. "Er zijn verschillende manieren waarop een elektron zich door het materiaal kan bewegen. Volgens de regels van de kwantumfysica hoeft het niet één van deze paden te kiezen; het elektron kan meerdere paden tegelijk volgen."

Deze verschillende paden kunnen elkaar vervolgens op verschillende manieren overlappen. Bij zeer specifieke energiewaarden heffen de paden elkaar op; bij deze energie is de kans dat elektronen door het stuk grafeen gaan erg laag en is de elektrische stroom minimaal. Dit wordt 'destructieve interferentie' genoemd.

"Het feit dat de stroomsterkte om kwantumfysische redenen dramatisch afneemt bij zeer specifieke energiewaarden, is technologisch gezien een zeer wenselijk effect", legt Libisch uit. "Dit kan bijvoorbeeld worden gebruikt om informatie op kleine schaal te verwerken, vergelijkbaar met wat elektronische componenten in computerchips doen."

Je kunt het ook gebruiken om nieuwe kwantumsensoren te ontwikkelen. Stel dat een stuk grafeen vrijwel geen stroom geleidt. Dan hecht zich plotseling een molecuul van buitenaf aan het grafeenoppervlak. "Dit ene molecuul verandert de elektronische eigenschappen van het stukje grafeen een klein beetje, en dat kan al genoeg zijn om de stroomsterkte plotseling behoorlijk drastisch te verhogen", zegt dr. Robert Stadler. "Hiermee zouden extreem gevoelige sensoren kunnen worden gemaakt."

Talrijke mogelijke interferenties

Maar de fysieke effecten die in de details een rol spelen zijn erg ingewikkeld. "De grootte en vorm van het grafeenstuk is niet altijd hetzelfde, en er zijn veel-lichaamsinteracties tussen verschillende elektronen die heel moeilijk wiskundig te berekenen zijn. Er kunnen op sommige plaatsen ongewenste extra atomen zijn, en de atomen wiebelen altijd een beetje. —Hiermee moet rekening worden gehouden om het materiaal grafeen op een echt realistische manier te kunnen beschrijven", zegt Dr. Angelo Valli.

Dit is precies wat er nu aan de TU Wien is bereikt:Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian en Florian Libisch hebben jarenlange ervaring met het correct beschrijven van verschillende effecten in materialen in computermodellen. Door hun expertise te bundelen zijn ze er nu in geslaagd een alomvattend computermodel te ontwikkelen dat alle relevante foutbronnen en verstoringseffecten omvat die in grafieken voorkomen.

En door dit te doen konden ze aantonen dat zelfs in de aanwezigheid van deze foutbronnen de gewenste effecten nog steeds zichtbaar zijn. Het is nog steeds mogelijk om een ​​bepaalde energie te vinden waarbij de stroom slechts in zeer kleine mate stroomt als gevolg van kwantumeffecten. Uit experimenten was al gebleken dat dit plausibel is, maar een systematisch theoretisch onderzoek ontbrak tot nu toe.

Dit bewijst dat grafeen niet perfect hoeft te zijn om te worden gebruikt voor kwantuminformatietechnologie of kwantumdetectie. Voor toegepast onderzoek op dit gebied is dit een belangrijke boodschap:de wereldwijde inspanningen om de kwantumeffecten in grafeen op een gecontroleerde manier te gebruiken zijn inderdaad veelbelovend.

Meer informatie: Angelo Valli et al, Stabiliteit van destructieve kwantuminterferentie-antiresonanties in elektronentransport door grafeen-nanostructuren, Koolstof (2023). DOI:10.1016/j.carbon.2023.118358

Journaalinformatie: Koolstof

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen