Med hjälp av storskaliga superdatorberäkningar, Forskare har analyserat hur placeringen av metalliska kontakter på grafen förändrar materialets elektrontransportegenskaper som en faktor för korsningslängden, bredd och orientering. Arbetet tros vara den första kvantitativa studien av elektrontransport genom metall-grafen-korsningar för att undersöka tidigare modeller i betydande detalj.

Information om hur att fästa metallkontakter påverkar elektrontransporten i grafen kommer att vara viktig för forskare som studerar materialet - och för designers som en dag kan tillverka elektroniska enheter av kolgittermaterialet.

"Graphene-enheter måste kommunicera med omvärlden, och det betyder att vi måste tillverka kontakter för att transportera ström och data, sa Mei-Yin Chou, en professor och institutionsordförande vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "När de sätter metallkontakter på grafen för att mäta transportegenskaper, forskare och enhetsdesigners måste veta att de kanske inte mäter de inneboende egenskaperna hos orörd grafen. Kopplingen mellan kontakterna och materialet måste beaktas."

Information om effekterna av metallkontakter på grafen rapporterades i tidskriften Fysiska granskningsbrev den 19 februari. Forskningen stöddes av det amerikanska energidepartementet, och involverade interaktioner med forskare vid National Science Foundation (NSF)-stödda Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) vid Georgia Tech.

Med hjälp av storskalig, första principberäkningar gjorda vid två olika NSF-stödda superdatorcenter, Georgia Tech-forskargruppen - som inkluderade postdoktorerna Salvador Barraza-Lopez och Mihajlo Vanevic, och biträdande professor Markus Kindermann - utförde detaljerade beräkningar på atomnivå av aluminiumkontakter odlade på grafen.

Beräkningarna studerade två kontakter upp till 14 nanometer från varandra, med grafen upphängd mellan dem. I sina beräkningar, forskarna lät aluminiumet växa som det skulle göra i den verkliga världen, studerade sedan hur elektronöverföring inducerades i området kring kontakterna.

"Folk har kunnat komma på fenomenologiska modeller som de använder för att ta reda på vad effekterna är med metalliska kontakter, " Chou förklarade. "Våra beräkningar gick några steg längre eftersom vi byggde kontakter atom för atom. Vi byggde atomistiskt lösta kontakter, och genom att göra det, vi löste det här problemet på atomnivå och försökte göra allt förenligt med kvantmekaniken."

Eftersom metaller vanligtvis har överskott av elektroner, att fysiskt fästa kontakterna på grafen orsakar en laddningsöverföring från metallen. Laddningen börjar överföras så snart kontakterna är konstruerade, men till slut når de två materialen jämvikt, sa Chou.

Studien visade att laddningsöverföring vid ledningarna och in i den fristående delen av materialet skapar en elektronhålasymmetri i konduktansen. För leads som är tillräckligt långa, effekten skapar två konduktansminima vid energierna i Dirac-punkterna för de upphängda och fastklämda områdena av grafen, enligt Barraza-Lopez.

"Dessa resultat kan vara viktiga för utformningen av framtida grafenenheter, ", sa han. "Kanteffekter och inverkan av nanorbandsbredd har studerats i betydande detalj, men effekterna av avgiftsöverföring vid kontakterna kan potentiellt vara lika viktiga."

Forskarna modellerade aluminium, men tror att deras resultat kommer att gälla andra metaller som koppar och guld som inte bildar kemiska bindningar med grafen. Dock, andra metaller som krom och titan förändrar materialet kemiskt, så effekterna de har på elektrontransport kan vara olika.

Utöver den nya informationen från beräkningarna, forskningen föreslår vidare kvantitativa modeller som kan användas under vissa omständigheter för att beskriva effekten av kontakterna.

"Tidigare modeller hade varit baserade på fysiska insikter, men ingen visste riktigt hur troget de beskrev materialet, ", sade Kindermann. "Detta är den första beräkningen som visar att dessa tidigare modeller gäller under vissa omständigheter för de system som vi studerade."

Data från studien kan en dag hjälpa enhetsdesigners att konstruera grafenkretsar genom att hjälpa dem att förstå effekterna de ser.

"När vi modifierar grafen, vi måste förstå vilka förändringar som sker som ett resultat av att lägga till material, ", tillade Chou. "Detta är verkligen grundläggande forskning för att förstå dessa effekter och för att ha en numerisk förutsägelse för vad som pågår. Vi hjälper till att förstå grafens grundläggande fysik."