(Phys.org) - Forskare observerade först grafen 2004 genom att extrahera de enatomtjocka arken av kol från bulkgrafit. Även om grafens elektriska och optiska egenskaper har visat sig ha enastående potential för många applikationer, att skapa atomärt exakta strukturer av grafen är fortfarande en utmaning. I ett försök att förbättra grafens användbarhet, forskare har letat efter ett sätt att tillverka konstgjord grafen, som skulle kunna fungera som en användbar struktur där enheter enkelt kan testas innan de implementeras med naturlig grafen. Nu i en ny studie, forskare har identifierat alla huvudkriterier som krävs för att göra konstgjord grafen, som skulle kunna ge en vägledning för att experimentellt realisera materialet.

Teamet av forskare, från institutioner i Tjeckien, Frankrike, Kanada, och USA, har publicerat sin uppsats om att skapa konstgjord grafen i ett nyligen numret av New Journal of Physics .

"Det tilltalande konceptet med konstgjord grafen dök upp strax efter att "riktig" grafen tillverkades, ” medförfattare Lukas Nádvorník från Charles University och Institute of Physics, ASCR, både i Prag, Tjeckien, berättade Phys.org . "Detta koncept föreslår att man drar fördel av högkvalitativa tvådimensionella halvledare, som är numera rutinmässigt tillgängliga, och att på grundval av dessa tillverka en ny kristall med ett "konstgjort" skapat bikakegaller, typiskt för grafen. Med andra ord, att använda nuvarande teknik för att efterlikna naturen."

Även om forskare har försökt tillverka konstgjord grafen under de senaste åren, ingen har ännu lyckats. Här, genom att identifiera alla de viktigaste kraven, forskarna hoppas kunna ändra på det.

"För första gången, vi kunde extrahera alla parametrar som är relevanta för artificiell grafen och föreslå deras rätta kombination, vilket bör leda till ett framgångsrikt förverkligande av detta system, ” sa medförfattare Milan Orlita vid Charles University, Institutet för fysik, ASCR, och Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses i Grenoble, Frankrike. "Detta är användbart för vårt fortsatta arbete, men även andra grupper som arbetar inom detta område kan tjäna på detta. Vårt arbete representerar inte en riktig milstolpe inom konstgjord grafen; ändå, vi tror att ett viktigt steg mot dess tillverkning har tagits.”

Forskarna tillade att experimentell tillverkning av konstgjord grafen i framtiden kommer att vara utmanande, men genomförbart.

"Vi ser inga huvudsakliga hinder för tillverkning av konstgjord grafen - men tekniskt, det är en ganska svår fråga, ” sa medförfattare Karel Výborný från Institute of Physics, ASCR, och University of Buffalo-SUNY i Buffalo, New York. "Man måste hitta en riktig kombination av ett antal fina parametrar som bärardensiteten, styrka av moduleringspotential, gitterkonstant, etc. Vårt arbete är förmodligen det första som närmar sig problemet systematiskt och jämför de experimentella resultaten kvantitativt med de teoretiskt formulerade kriterierna.”

Konstgjord grafen har vissa fördelar jämfört med naturlig grafen, såsom en kristallstruktur vars form kan varieras. Som forskarna förklarade, kristallstrukturen hos naturlig grafen är fixerad:den består av ett perfekt bikakenät med ett avstånd mellan kol och kol på 0,142 nanometer. I kontrast, konstgjord grafen framställd av halvledarflerskikt (t.ex. med hjälp av elektronstrålelitografi) begränsas inte av en exakt gitterform eller en exakt gitterkonstant.

"Det är också relativt lätt att tillverka specifika" enheter, ’ dvs. konstgjord grafen formad till ränder, korsningar, etc., sa Nádvorník. "Med naturlig grafen, det är svårt (även om det inte är omöjligt!) att skapa atomärt exakta strukturer. Man skulle kunna testa sådana "enheter" först med konstgjord grafen och, om de visar sig användbara, försök att reproducera dem med naturlig grafen."

Nádvorník förklarade att forskare länge har försökt skapa olika typer av artificiella kristaller för att utforska deras kvantmekanik, men det som gör grafen unikt är beteendet hos dess elektroner, kallas Dirac fermioner.

"Tillverkning av tvådimensionella supergitter med gitterkonstanter runt 100 nanometer (mindre än en hundradel av tjockleken på ett människohår), som konstgjord grafen är ett exempel på, går tillbaka till 1990-talet, " han sa. "Det som inte märktes på den tiden var Dirac-fermionerna - en speciell egenskap hos konstgjord grafen. I vårt arbete, vi anger tydligt fyra kriterier som man måste uppfylla för att observera Dirac-fermionerna i en konstgjord halvledarstruktur. På ett ungefär, medan loppet har varit på plats sedan 2009 för att observera någon manifestation av Dirac-fermioner i konstgjord grafen, vi visar hur man testar de enskilda kriterierna separat. När alla kriterier är uppfyllda, vi kan hoppas på att observera Dirac-fermionerna."

Han förklarade att Dirac-fermionerna inte bara gör grafen till vad det är, men också ge insikt i andra områden inom fysiken.

"Det är bara den hexagonala symmetrin som är ansvarig för uppkomsten av Dirac-fermioner, sa Nádvorník. "Det här är elektroner som rör sig i (konstgjorda) grafenkristaller med försvinnande effektiv massa. De påminner mycket om ultrarelativistiska partiklar och deras rörelse kan vara, kanske överraskande, beskrivs med ekvationer som är typiska för relativistisk fysik. Dirac-fermioner i grafen (det spelar ingen roll om det är konstgjord eller äkta grafen) kopplar alltså samman fasta tillståndets fysik och relativistisk kvantelektrodynamik, två mycket olika grenar av modern fysik."

I framtiden, forskarna planerar att ta nästa steg mot att experimentellt realisera konstgjord grafen.

"Det är en av slutsatserna av vårt arbete att ett gångbart sätt att skapa artificiell grafen är att ytterligare reducera gitterkonstanten (periodiciteten för den applicerade potentialen) ner till tiotals nanometer, sa Nádvorník. "För att uppnå detta, vi planerar att tillämpa elektronstrålelitografin med ännu högre upplösningar som vi använde hittills, eller dra nytta av den fokuserade jonstråletekniken. Vi hoppas att vi kommer att kunna tillhandahålla bevis för Dirac-fermioner i artificiell grafen med hjälp av ett brett utbud av experimentell teknik tillgänglig (infraröd/THz eller synlig spektroskopi eller elektronisk transport).

Copyright 2012 Phys.Org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.