(PhysOrg.com) - Forskare vid National Institute of Standards and Technology har visat att de elektroniska egenskaperna hos två lager av grafen varierar på nanometerskalan. De överraskande nya resultaten avslöjar att inte bara skillnaden i styrkan hos de elektriska laddningarna mellan de två lagren varierar mellan lagren, men de vänder faktiskt också i tecken för att skapa slumpmässigt fördelade pölar av alternerande positiva och negativa laddningar. Anmäld i Naturfysik , de nya mätningarna tar grafen ett steg närmare att användas i praktiska elektroniska enheter.

grafen, ett enda lager av kolatomer, är uppskattad för sina anmärkningsvärda egenskaper, inte minst är hur den leder elektroner i hög hastighet. Dock, avsaknaden av vad fysiker kallar ett bandgap – en energisk tröskel som gör det möjligt att slå på och av en transistor – gör grafen olämpligt för digitala elektroniska applikationer.

Forskare har känt till att tvåskiktsgrafen, bestående av två staplade grafenlager, fungerar mer som en halvledare när den är nedsänkt i ett elektriskt fält.

Enligt NIST-forskaren Nikolai Zhitenev, bandgapet kan också bildas på egen hand på grund av variationer i arkens elektriska potential orsakade av interaktioner mellan grafenelektronerna eller med substratet (vanligtvis ett icke-ledande, eller isoleringsmaterial) som grafenen är placerad på.

NIST-kollegan Joseph Stroscio säger att deras mätningar indikerar att interaktioner med det oordnade isolerande substratmaterialet orsakar pooler av elektroner och elektronhål (i princip, frånvaron av elektroner) för att bildas i grafenskikten. Både elektron- och hål "pooler" är djupare på bottenskiktet eftersom det är närmare substratet. Denna skillnad i "pool" djup, eller laddningstäthet, mellan lagren skapar det slumpmässiga mönstret av alternerande laddningar och det rumsligt varierande bandgapet.

Att manipulera substratets renhet kan ge forskare ett sätt att finkontrollera grafens bandgap och kan så småningom leda till tillverkning av grafenbaserade transistorer som kan slås på och av som en halvledare.

Fortfarande, som framgår av gruppens tidigare arbete, medan dessa substratinteraktioner öppnar dörren till grafens användning som ett praktiskt elektroniskt material, de sänker fönstret på hastighet. Elektroner rör sig inte lika bra genom substratmonterad dubbelskiktsgrafen; dock, detta kan troligen kompenseras för genom att konstruera grafen/substrat-interaktionerna.

Stroscios team planerar att ytterligare utforska den roll som substrat kan spela i skapandet och kontrollen av bandgap i grafen genom att använda olika substratmaterial. Om substratinteraktionerna kan reduceras tillräckligt mycket, säger Stroscio, de exotiska kvantegenskaperna hos tvåskiktsgrafen kan utnyttjas för att skapa en ny kvantfälteffekttransistor.