Detta är en illustration av deformationen av ett grafentrumskinn i mikronstorlek från de konkurrerande krafterna från en STM-sondspets och bakre grindelektrod. Töjningen i grafenmembranet skapar pseudo (inte verkliga) magnetiska fält som spatialt alternerande upp och ner (röd och blå färgad grafik) som begränsar grafenbärarna och skapar kvantiserade kvantprickliknande energinivåer. Bakgrunden är en färgad svepelektronmikroskopibild av grafentrumskinnarna tillverkade av ett enda lager grafen exfolierat över en uppsättning av gropar i storleken en mikron etsade i kiseldioxidsubstrat. Kredit:N. Klimov och T. Li, NIST/UMD
Forskare har visat att de kan justera stammen i grafen upphängd som trumskinn över mikroskopiska hål i ett substrat av kiseloxid med hjälp av spetsen på ett avancerat scanningsprobmikroskop och en ledande platta under substratet. Justering av stammen gjorde det möjligt för gruppen att skapa områden i grafenet där elektroner betedde sig som om de var begränsade till kvantprickar.
Att dra åt eller släppa på spänningen på ett trumskinn kommer att förändra hur trumman låter. Detsamma gäller trumskinn gjorda av grafen, bara istället för att ändra ljudet, stretching grafen har en djupgående effekt på materialets elektriska egenskaper. Forskare som arbetar vid National Institute of Standards and Technology och University of Maryland har visat att utsättande av grafen för mekanisk belastning kan efterlikna effekterna av magnetfält och skapa en kvantprick, en exotisk typ av halvledare med ett brett utbud av potentiella användningsområden i elektroniska enheter.
Resultaten rapporterades den 22 juni, 2012, frågan om Vetenskap .
Grafen är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett bikakenät. Kan leda elektricitet med lite motstånd vid rumstemperatur, grafen är en utmärkt kandidat för applikationer som sträcker sig från flexibla displayer till höghastighetstransistorer.
Dock, samma brist på elektriskt motstånd som gör grafen attraktiv för vissa användningsområden gör det också illa lämpat för digitala datortillämpningar. Grafen leder elektricitet så bra eftersom det inte har ett bandgap - en energisk tröskel under vilken materialet inte leder elektricitet. Detta betyder att grafen inte kan stängas av, " och datorer behöver "på" och "av"-signaler för att överföra och bearbeta information.
Eftersom substrat saktar ner hastigheten för elektroner som rör sig genom grafen, Nikolaj Klimov, en postdoktor vid University of Maryland som arbetar vid NIST, suspenderade grafenen över grunda hål i ett substrat av kiseldioxid - i huvudsak tillverkade en uppsättning grafentrumskinn. För att mäta grafenens egenskaper, teamet använde ett unikt scanningsprobmikroskop designat och byggt på NIST.
När de började undersöka trumskinnarna, de fann att grafenet steg upp för att möta spetsen av mikroskopet - ett resultat av van der Waals kraft, en svag elektrisk kraft som skapar attraktion mellan föremål som är mycket nära varandra.
"Medan vårt instrument berättade för oss att grafenet var formad som en bubbla fastklämd i kanterna, simuleringarna som kördes av våra kollegor vid University of Maryland visade att vi bara upptäckte grafenens högsta punkt, " säger NIST-forskaren Nikolai Zhitenev. "Deras beräkningar visade att formen faktiskt var mer lik formen du skulle få om du petar in i ytan på en uppblåst ballong, som en tipi eller cirkustält."
Forskarna upptäckte att de kunde justera spänningen i trumskinnet med hjälp av den ledande plattan på vilken grafen och substrat monterades för att skapa en motverkande attraktion och dra ner trumskinnet. På det här sättet, de kunde dra grafenet in i eller ut ur hålet under det. Och deras mätningar visade att ändring av töjningsgraden förändrade materialets elektriska egenskaper.
Till exempel, gruppen observerade att när de drog grafenmembranet till den tältliknande formen, regionen vid spetsen fungerade precis som en kvantprick, en typ av halvledare där elektroner är begränsade till ett litet område i rymden.
Att skapa halvledande regioner som kvantprickar i grafen genom att modifiera dess form kan ge forskare det bästa av två världar:hög hastighet och bandgapet som är avgörande för datoranvändning och andra tillämpningar.
Enligt Zhitenev, elektronerna strömmar genom grafen genom att följa hexagonernas segment. Att sträcka ut hexagonerna sänker energin nära spetsen av den tältliknande formen och får elektronerna att röra sig i slutet, klöverformade banor - efterliknar nästan exakt hur elektronerna skulle röra sig i ett vertikalt varierat magnetfält.
"Det här beteendet är verkligen ganska anmärkningsvärt, " säger Zhitenev. "Det finns lite elektronläckage, men vi fann att om vi kompletterade det pseudomagnetiska fältet med ett verkligt magnetfält, det fanns inget som helst läckage."
"I vanliga fall, att göra en grafenkvantprick, du skulle behöva skära ut en bit grafen i nanostorlek, " säger NIST Fellow Joseph Stroscio. "Vårt arbete visar att du kan uppnå samma sak med spänningsinducerade pseudomagnetiska fält. Det är ett fantastiskt resultat, och ett viktigt steg mot att utveckla framtida grafenbaserade enheter."
