(PhysOrg.com) -- Graphene, materialet som utgör blyertspenna, "kan en dag göra elektroniska enheter mindre, snabbare och mer energieffektiv. Tillhandahåller den första detaljerade analysen av grafen på bornitrid, ett UA-ledda team av fysiker har gjort lovande upptäckter.

Grafen - ett ark av kolatomer kopplade i en hexagonal, hönsnätsstruktur – lovar mycket för mikroelektronik. Endast en atom tjock och mycket ledande, grafen kan en dag ersätta konventionella kiselmikrochips, göra enheter mindre, snabbare och mer energieffektiv.

Förutom potentiella tillämpningar i integrerade kretsar, solceller, miniatyriserade bioenheter och gasmolekylsensorer, materialet har uppmärksammats av fysiker för dess unika egenskaper att leda elektricitet på atomnivå.

Annars känd som blyertspenna, "grafen har väldigt lite motstånd och tillåter elektroner att bete sig som masslösa partiklar som fotoner, eller lätta partiklar, medan du färdas genom det hexagonala nätet med mycket höga hastigheter.

Studiet av de fysikaliska egenskaperna och potentiella tillämpningarna av grafen, dock, har lidit av brist på lämpliga bärarmaterial som kan stödja ett platt grafenskikt utan att störa dess elektriska egenskaper.

Forskare vid University of Arizonas fysikavdelning tillsammans med medarbetare från Massachusetts Institute of Technology och National Materials Science Institute i Japan har nu tagit ett viktigt steg framåt mot att övervinna dessa hinder.

De fann att genom att placera grafenskiktet på ett material som är nästan identiskt till sin struktur, istället för den vanliga kiseldioxiden som finns i mikrochips, de skulle kunna förbättra dess elektroniska egenskaper avsevärt.

Att ersätta kiselwafers med bornitrid, en grafenliknande struktur som består av bor- och kväveatomer i stället för kolatomer, gruppen var först med att mäta topografin och de elektriska egenskaperna hos det resulterande släta grafenskiktet med atomupplösning.

Resultaten publiceras i förhandspublikationen på nätet Naturmaterial .

"Strukturmässigt, bornitrid är i princip samma sak som grafen, men elektroniskt, det är helt annorlunda, sa Brian LeRoy, en biträdande professor i fysik och senior författare till studien. "Grafen är en ledare, bornitrid är en isolator."

"Vi vill att vår grafen ska sitta på något isolerande, eftersom vi är intresserade av att studera grafenens egenskaper enbart. Till exempel, om du vill mäta dess motstånd, och du lägger den på metall, du ska bara mäta metallens motstånd eftersom den kommer att leda bättre än grafenen."

Till skillnad från kisel, som traditionellt används i elektronikapplikationer, grafen är ett enda ark av atomer, vilket gör den till en lovande kandidat i jakten på allt mindre elektroniska enheter. Tänk att gå från en pocketbok till ett kreditkort.

"Den är så liten som du kan krympa ner den, " sa LeRoy. "Det är ett enda lager, du kommer aldrig få ett halvt lager eller något liknande. Man kan säga att grafen är det ultimata för att göra det litet, men det är fortfarande en bra dirigent."

staplade på varandra, 3 miljoner ark grafen skulle uppgå till endast 1 millimeter. Det tunnaste materialet på jorden, grafen gav Nobelpriset 2010 till Andre Geim och Konstantin Novoselov, som kunde demonstrera dess exceptionella egenskaper med relation till kvantfysik.

"Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop, vi kan titta på atomer och studera dem, " tillade han. "När vi lägger grafen på kiseloxid och tittar på atomerna, vi ser gupp som är ungefär en nanometer höga."

Medan en nanometer – en miljarddels meter – kanske inte låter så mycket, till en elektron som susar fram i ett rutnät av atomer, det är en rejäl gupp på vägen.

"Det är i grunden som ett papper som har små veck i sig, " LeRoy förklarar. "Men om du lägger papperet, i detta fall grafen, på bornitrid, det är mycket plattare. Det jämnar ut gupparna med en storleksordning."

LeRoy medger att den andra effekten som hans forskargrupp uppnådde är lite svårare att förklara.

"När du har grafen som sitter på kiseloxid, det finns fångade elektriska laddningar inuti kiseloxiden på vissa ställen, och dessa inducerar viss laddning i den överliggande grafenen. Du får en hel del variation i tätheten av elektroner. Om grafen sitter på bornitrid, variationen är två storleksordningar mindre."

I hans labb, LeRoy demonstrerar det första – och förvånansvärt lågteknologiska – steget i att karakterisera grafenproverna:Han placerar en liten grafitflagga – det som utgör blyertspenna – på tejp, viker tillbaka den på sig själv och drar isär den igen, i en process som påminner om ett Rorschach-test.

"Du viker det här på mitten, " han förklarade, "och igen, och igen, tills det blir tunt. Grafen vill skala av i dessa lager, eftersom bindningarna mellan atomerna i det horisontella lagret är starka, men svag mellan atomer som tillhör olika lager. När du sätter detta under ett optiskt mikroskop, det kommer att finnas regioner med en, två, tre, fyra eller fler lager. Sedan söker du bara efter enlagers med mikroskopet."

"Det är svårt att hitta provet eftersom det är mycket, väldigt liten, " sa Jiamin Xue, en doktorand i LeRoys labb och tidningens ledande författare. "När vi väl hittar det, vi lägger den mellan två guldelektroder så att vi kan mäta konduktansen."

För att mäta grafenytans topografi, teamet använder ett skannande tunnelmikroskop, som har en ultrafin spets som kan flyttas runt.

"Vi flyttar spetsen väldigt nära grafenen, tills elektroner börjar tunnla till den, " Xue förklarade. "Det är så vi kan se ytan. Om det finns en bula, spetsen flyttas upp lite."

För den spektroskopiska mätningen, Xue håller spetsen på ett fast avstånd ovanför provet. Han ändrar sedan spänningen och mäter hur mycket ström som flyter som en funktion av den spänningen och en given punkt över provet. Detta gör att han kan kartlägga olika energinivåer över provet.

"Du vill ha en så tunn isolator som möjligt, LeRoy tillade. "Den första idén var att välja något platt men isolerande. Eftersom bornitrid i huvudsak har samma struktur som grafen, du kan skala den i lager på samma sätt. Därför, vi använder en metall som bas, lägg ett tunt lager bornitrid på det och sedan grafen ovanpå."