(PhysOrg.com) -- University of Arizona fysiker gör upptäckter som kan främja elektronisk kretsteknologi.

Grafit, mer känd som blyertspenna, kan bli nästa stora grej i jakten på mindre och mindre strömkrävande elektronik.

Liknar kycklingnät i nanoskala, grafen – enstaka ark grafit – är bara en atom tjock, vilket gör det till världens tunnaste material. Två miljoner grafenark staplade skulle inte vara lika tjocka som ett kreditkort.

Den knepiga delen fysiker har ännu inte räknat ut hur man kontrollerar flödet av elektroner genom materialet, en nödvändig förutsättning för att den ska fungera i någon typ av elektronisk krets. Grafen beter sig väldigt annorlunda än kisel, det material som för närvarande används i halvledare.

Förra året, ett forskarlag ledd av UA-fysiker klarade det första hindret genom att identifiera bornitrid, ett strukturellt identiskt men icke-ledande material, som en lämplig monteringsyta för enatomark av grafen. Teamet visade också att förutom att ge mekaniskt stöd, bornitrid förbättrar grafens elektroniska egenskaper genom att jämna ut fluktuationer i de elektroniska laddningarna.

Nu fann teamet att bornitrid också påverkar hur elektronerna färdas genom grafenet. Publicerad i Naturfysik , resultaten öppnar för nya sätt att kontrollera elektronflödet genom grafen.

"Om du till exempel vill göra en transistor, du måste kunna stoppa flödet av elektroner, sa Brian LeRoy, en biträdande professor vid University of Arizonas avdelning för fysik. "Men i grafen, elektronerna bara fortsätter. Det är svårt att stoppa dem."

LeRoy sa att relativistiska kvantmekaniska effekter som spelar in på atomär skala gör att elektroner beter sig på ett sätt som går emot våra vardagliga erfarenheter av hur objekt ska bete sig.

Ta tennisbollar, till exempel.

"I vanliga fall, när du kastar en tennisboll mot en vägg, det studsar tillbaka, LeRoy sa. "Tänk nu på elektronerna som tennisbollar. Med kvantmekaniska effekter, det finns en chans att bollen skulle gå igenom och hamna på andra sidan. I grafen, bollen går igenom 100 procent av tiden."

Detta märkliga beteende gör det svårt att kontrollera vart elektronerna tar vägen i grafen. Dock, som LeRoys grupp nu har upptäckt, montering av grafen på bornitrid förhindrar att en del av elektronerna passerar till andra sidan, ett första steg mot ett mer kontrollerat elektronflöde.

Gruppen uppnådde denna bedrift genom att placera grafenark på bornitrid i vissa vinklar, vilket resulterar i att de hexagonala strukturerna i båda materialen överlappar varandra på ett sådant sätt att sekundära, större hexagonala mönster skapas. Forskarna kallar denna struktur ett supergitter.

Om vinkeln är precis rätt, de hittade, en punkt nås där nästan inga elektroner går igenom.

"Man kan säga att vi skapade hål i väggen, LeRoy sa, "och så snart väggen har hål i den, vi upptäcker att några av tennisbollarna inte längre går igenom. Det är motsatsen till vad du förväntar dig. Det visar hur konstigt det här är. Allt beror på de relativistiska kvanteffekterna."

Upptäckten sätter tekniken lite närmare att en dag faktiskt kunna kontrollera flödet av elektroner genom grafenet, sa författarna till tidningen.

"Effekten beror på storleken på det hexagonala mönstret som resulterar från de överlappande arken, " förklarade Matthew Yankowitz, en förstaårsstudent i LeRoys labb och studiens huvudförfattare.

Mönstret, han förklarade, skapar en periodisk modulering av potentialen – föreställ dig en boll som rullar över en äggkartong.

"Det är en rent elektronisk effekt som skapas av strukturen hos de två materialen och hur de sitter ovanpå varandra, " sa Yankowitz. "Det liknar Moiré-mönstret du ser när någon bär en randig skjorta på TV."

Från och med nu, forskarna kan ännu inte kontrollera hur grafen och bornitrid hamnar orienterade i förhållande till varandra när de kombinerar de två materialen. Därför, de gör många prover och kontrollerar strukturen hos var och en under ett elektronmikroskop.

"Med vårt skanningstunnelmikroskop, vi kan få en bild av varje supergaller och mäta dess storlek, ", sa Yankowitz. "Vi tar en bild och ser hur mönstret ser ut. Om det hexagonala mönstret är för litet, proverna är inte bra och vi kastar ut dem."

Yankowitz sa att cirka 10 till 20 procent av proverna visade den önskade effekten.

Om det blir möjligt att en dag automatisera denna process, grafenbaserad mikroelektronik kan vara på god väg att driva oss från kiselåldern till grafenåldern.

Forskningsstudien är ett samarbete mellan LeRoys labb och forskare vid MIT i Cambridge, Massa., National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan och Genèves universitet, Schweiz. UA-delen av projektet finansierades av anslag från U.S. Army Research Office och National Science Foundation.