En oavsiktlig upptäckt i en fysikers laboratorium vid University of California, Riverside ger en unik väg för att ställa in de elektriska egenskaperna hos grafen, naturens tunnaste elastiska material. Den här vägen lovar mycket för att ersätta kisel med grafen i mikrochipsindustrin.

Forskarna fann att stapling av tre lager grafen, som pannkakor, avsevärt modifierar materialets elektriska egenskaper. När de tillverkade treskiktsgrafen i labbet och mätte dess konduktans, de hittade, till deras förvåning, att beroende på hur lagren staplades ledde några av treskiktsgrafenenheterna medan andra isolerade.

"Det vi snubblade över är en enkel och bekväm "ratt" för att ställa in grafenarks elektriska egenskaper, sa Jeanie Lau, en docent i fysik och astronomi, vars labb gjorde det otroliga fyndet.

Studieresultat dök upp online 25 september Naturfysik .

Grafen är ett enatoms tjockt ark av kolatomer ordnade i hexagonala ringar. Med utmärkta materialegenskaper, såsom hög strömförande kapacitet och värmeledningsförmåga, detta "undermaterial" är idealiskt lämpat för att skapa komponenter för halvledarkretsar och datorer.

På grund av grafenens plana och hönsnätsliknande struktur, dess ark lämpar sig väl för stapling i vad som kallas "Bernal stapling, ' staplingsmodet för grafenark.

I ett Bernal-staplat dubbellager, ett hörn av sexkanterna på det andra arket är beläget ovanför mitten av sexkanterna på det undre arket. I Bernal-stacked trilayer (ABA), det översta (tredje) arket är exakt ovanpå det lägsta arket. I romboedriskt staplade (ABC) treskikt, det översta arket förskjuts med avståndet för en atom, så att det översta (tredje) arket och det lägsta arket också bildar en Bernal-stapling.

"Den mest stabila formen av treskiktsgrafen är ABA, som beter sig som en metall, "Förklarade Lau. "Otroligt nog, om vi helt enkelt flyttar hela det översta lagret med avståndet till en enda atom, treskiktet – nu med ABC eller romboedrisk stapling – blir isolerande. Varför detta händer är inte klart än. Det kan induceras av elektroniska interaktioner. Vi väntar med spänning på en förklaring från teoretiker!"

Hennes labb använde Raman-spektroskopi för att undersöka grafenanordningarnas staplingsorder. Därefter planerar labbet att undersöka karaktären hos det isolerande tillståndet i ABC-staplad grafen. I den här typen av staplad grafen, de planerar också att studera bandgapet – ett intervall i energi, avgörande för digitala applikationer, där inga elektroner kan existera.

"Närvaron av gapet i ABC-staplad grafen som uppstår, vi tror, från förbättrade elektroniska interaktioner är intressant eftersom det inte förväntas från teoretiska beräkningar, "Att förstå detta gap är särskilt viktigt för den stora utmaningen med bandgapteknik inom grafenelektronik."

Förutom grafen, Lau studerar nanotrådar och kolnanorör. Hennes forskning har hjälpt fysiker att få grundläggande förståelse för hur atomer och elektroner beter sig när de styrs av kvantmekanik. Hennes labb studerar nya elektriska egenskaper som uppstår från kvantinneslutningen av atomer och laddningar till system i nanoskala. Hennes forskargrupp har visat att grafen kan fungera som ett biljardbord i atomskala, med elektriska laddningar som fungerar som biljardbollar.

Hennes andra forskningsintressen inkluderar supraledning, termisk hantering och elektronisk transport i nanostrukturer, och konstruera nya klasser av enheter i nanoskala.

En pedagogisk del av Laus forskningssatsning är gymnasieskolans aktiva engagemang, grundutbildning, och doktorander, särskilt minoriteter och kvinnor, i sin spetsforskning, dra fördel av den etniska mångfalden hos UCR:s studentpopulation och lokala samhällen. Hon är en av grundarna av fakultetsmedlem i UCR Undergraduate Research Journal. Hon organiserade också en lunchgrupp "Women in Physics" som ger en vänlig plattform för kvinnliga studenter, postdoktorer och fakultetsmedlemmar att interagera.

Efter att ha tagit sin kandidatexamen i fysik från University of Chicago 1994, Lau fortsatte till Harvard University där hon tog sin magister- och doktorsexamen i fysik 1997 och 2001, respektive. Hon började på UCR 2004, efter en utnämning som forskarassistent vid Hewlett-Packard Laboratory.