Forskare har tagit ytterligare ett steg mot att förstå grafens unika och ofta oväntade egenskaper, ett tvådimensionellt kolmaterial som har väckt intresse på grund av dess potentiella tillämpningar i framtida generationer av elektroniska enheter.

I den 8 augusti i förväg onlineutgåva av tidningen Naturfysik , forskare från Georgia Institute of Technology och National Institute of Standards and Technology (NIST) beskriver för första gången hur elektronernas banor fördelas rumsligt av magnetfält som appliceras på lager av epitaxial grafen.

Forskargruppen fann också att dessa elektronbana kan interagera med substratet på vilket grafen odlas, skapa energigap som påverkar hur elektronvågor rör sig genom flerskiktsmaterialet. Dessa energiklyftor kan få konsekvenser för konstruktörerna av vissa grafenbaserade elektroniska enheter.

"Det regelbundna mönstret av energiklyftor i grafenytan skapar områden där elektrontransport inte är tillåten, "sa Phillip N. Först, en professor vid Georgia Tech School of Physics och en av tidningens medförfattare. "Elektronvågor skulle behöva gå runt dessa regioner, kräver nya mönster för elektronvågstörningar. Att förstå sådan störning kommer att vara viktigt för tvålagers grafenanordningar som har föreslagits, och kan vara viktigt för andra gittermatchade substrat som används för att stödja grafen och grafenanordningar. "

I ett magnetfält, en elektron rör sig i en cirkulär bana - känd som en cyklotronbana - vars radie beror på magnetfältets storlek och elektronens energi. För ett konstant magnetfält, det är lite som att rulla en marmor runt i en stor skål, Först sagt.

"Med hög energi, marmorbanorna högt i skålen, medan för lägre energier, omloppsstorleken är mindre och lägre i skålen, "förklarade han." Cyklotronbanorna i grafen beror också på elektronenergin och den lokala elektronpotentialen - motsvarande skålen - men tills nu, banorna hade inte avbildats direkt. "

Placerad i ett magnetfält, dessa banor driver normalt längs linjer med nästan konstant elektrisk potential. Men när ett grafenprov har små fluktuationer i potentialen, dessa "drifttillstånd" kan fastna på en kulle eller dal i materialet som har stängt konstanta potentiella konturer. Sådan infångning av laddningsbärare är viktigt för kvante Hall -effekten, där exakt kvantiserat motstånd härrör från laddningsledning enbart genom de banor som hoppar längs materialets kanter.

Studien fokuserade på en viss elektronbana:en noll-energi-bana som är unik för grafen. Eftersom elektroner är materievågor, interferens i ett material påverkar hur deras energi relaterar till vågens hastighet - och reflekterade vågor som läggs till en inkommande våg kan kombineras för att producera en långsammare sammansatt våg. Elektroner som rör sig genom det unika "kycklingtråd" -arrangemanget av kol-kolbindningar i grafen stör på ett sätt som lämnar våghastigheten densamma för alla energinivåer.

Förutom att finna att energistater följer konturer med konstant elektrisk potential, forskarna upptäckte specifika områden på grafenytan där elektronernas orbitalenergi förändras från en atom till den andra. Det skapar ett energigap inom isolerade fläckar på ytan.

"Genom att undersöka deras fördelning över ytan för olika magnetfält, vi bestämde att energiklyftan beror på en subtil interaktion med substratet, som består av flerlagers grafen odlad på en kiselkarbidskiva, "Förklarades först.

I epitaxial grafen i flera lager, varje lagers symmetriska delgaller roteras något med avseende på nästa. I tidigare studier har forskare fann att rotationerna tjänade till att koppla bort de elektroniska egenskaperna för varje grafenlager.

"Våra fynd har de första indikationerna på en liten positionsberoende interaktion mellan skikten, "sa David L. Miller, tidningens första författare och en doktorand i Firsts laboratorium. "Denna interaktion uppstår endast när storleken på en cyklotronbana - som krymper när magnetfältet ökar - blir mindre än storleken på de observerade fläckarna."

Ursprunget för den positionsberoende interaktionen tros vara "moirémönstret" för atominriktningar mellan två intilliggande lager av grafen. I vissa regioner, atomer i ett lager ligger ovanpå atomer i lagret nedanför, medan i andra regioner, ingen av atomerna är i linje med atomerna i skiktet nedanför. I fortfarande andra regioner, hälften av atomerna har grannar i underlaget, en instans där kolatomernas symmetri bryts och Landau -nivån - elektronernas diskreta energinivå - delas upp i två olika energier.

Experimentellt, forskarna undersökte ett prov av epitaxial grafen som odlats vid Georgia Tech i laboratoriet hos professor Walt de Heer, med hjälp av tekniker som utvecklats av hans forskargrupp under de senaste åren.

De använde spetsen på ett specialbyggt skanningstunnelmikroskop (STM) för att undersöka grafen i atomskala i grafen i en teknik som kallas skanningstunnelspektroskopi. Spetsen flyttades över ytan på en 100-kvadrat nanometer sektion av grafen, och spektroskopiska data inhämtades var 0,4 nanometer.

Mätningarna gjordes vid 4,3 grader Kelvin för att dra nytta av att energiopplösningen är proportionell mot temperaturen. Skanning-tunnelmikroskopet, designad och byggd av Joseph Stroscio vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology, använde en supraledande magnet för att tillhandahålla de magnetfält som behövs för att studera banorna.

Enligt First, studien väcker ett antal frågor för framtida forskning, inklusive hur energiklyftorna kommer att påverka elektrontransportegenskaper, hur de observerade effekterna kan påverka föreslagna tvålagers grafen -koherenta enheter - och om det nya fenomenet kan kontrolleras.

"Denna studie är verkligen en språngbräda för att förstå subtiliteterna i grafens intressanta egenskaper, "sa han." Detta material skiljer sig från allt vi tidigare har arbetat med inom elektronik. "