Forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt en unik ny twist till historien om grafen, ark av rent kol bara en atom tjocka, och i processen verkar ha löst ett mysterium som har hållit tillbaka enhetsutvecklingen.

Elektroner kan rasa genom grafen med nästan ljusets hastighet - 100 gånger snabbare än de rör sig genom kisel. Förutom att vara supertunn och supersnabb när det gäller att leda elektroner, grafen är också superstark och superflexibel, vilket gör det till ett potentiellt superstjärnmaterial inom elektronik- och fotonikfälten, basen för en mängd enheter, börjar med ultrasnabba transistorer. Ett stort problem, dock, har varit att grafens elektronledning inte kan stoppas helt, ett väsentligt krav för på/av-enheter.

På/av-problemet härrör från monolager av grafen som inte har några bandgap – energiområden där inga elektrontillstånd kan existera. Utan bandgap, det finns inget sätt att kontrollera eller modulera elektronström och därför inget sätt att fullt ut förverkliga det enorma löftet med grafen i elektroniska och fotoniska enheter. Berkeley Lab-forskare har kunnat konstruera exakt kontrollerade bandgap i tvålagersgrafen genom applicering av ett externt elektriskt fält. Dock, när enheter tillverkades med dessa konstruerade bandgap, enheterna betedde sig konstigt, som om ledning i dessa bandgap inte hade stoppats. Varför sådana enheter inte fungerade har varit ett vetenskapligt mysterium fram till nu.

Arbetar på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en DOE nationell användaranläggning, ett forskarlag ledd av ALS-forskaren Aaron Bostwick har upptäckt att i staplingen av grafenmonoskikt uppstår subtila felställningar, skapa en nästan omärklig vridning i den sista tvåskiktsgrafenen. Liten som den är - så liten som 0,1 grad - kan denna vridning leda till förvånansvärt starka förändringar i tvåskiktsgrafenens elektroniska egenskaper.

"Introduktionen av twisten genererar en helt ny elektronisk struktur i tvåskiktsgrafenet som producerar massiva och masslösa Dirac-fermioner, " säger Bostwick. "Den masslösa Dirac-fermiongrenen som produceras av denna nya struktur förhindrar tvåskiktsgrafen från att bli helt isolerande även under ett mycket starkt elektriskt fält. Detta förklarar varför tvåskiktsgrafen inte har levt upp till teoretiska förutsägelser i faktiska enheter som var baserade på perfekt eller otvinnad dubbelskiktsgrafen."

Bostwick är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i tidskriften Naturmaterial med titeln "Samexisterande massiva och masslösa Dirac-fermioner i symmetri-bruten dubbelskiktsgrafen." Keun Su Kim från Fritz Haber Institute i Berlin är huvudförfattare. Andra medförfattare är Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Karsten Horn, och Eli Rotenberg, som övervakar forskningen vid ALS Beamline 7.0.1.

Monolager av grafen har inga bandgap – energiområden där inga elektrontillstånd kan existera. Utan bandgap, det finns inget sätt att kontrollera eller modulera elektronström och därför inget sätt att fullt ut förverkliga det enorma löftet med grafen i elektroniska och fotoniska enheter. Berkeley Lab-forskare har kunnat konstruera exakt kontrollerade bandgap i tvålagersgrafen genom applicering av ett externt elektriskt fält. Dock, när enheter tillverkades med dessa konstruerade bandgap, enheterna betedde sig konstigt, som om ledning i dessa bandgap inte hade stoppats.

För att gå till botten med detta mysterium, Rotenberg, Bostwick, Kim och deras medförfattare utförde en serie experiment med vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) vid ALS-strållinje 7.0.1. ARPES är en teknik för att studera de elektroniska tillstånden hos ett fast material där en stråle av röntgenfotoner som träffar materialets yta orsakar fotoemission av elektroner. Den kinetiska energin hos dessa fotoelektroner och vinklarna vid vilka de skjuts ut mäts sedan för att erhålla ett elektroniskt spektrum.

"Kombinationen av ARPES och Beamline 7.0.1 gjorde det möjligt för oss att enkelt identifiera det elektroniska spektrumet från vridningen i tvåskiktsgrafenet, ", säger Rotenberg. "Spektrumet vi observerade var mycket annorlunda än vad som antagits och innehåller extra grenar bestående av masslösa Dirac-fermioner. Dessa nya masslösa Dirac-fermioner rör sig på ett helt oväntat sätt som styrs av de symmetrivridna lagren."

Masslösa Dirac fermioner, elektroner som i huvudsak beter sig som om de vore fotoner, är inte föremål för samma bandgap-begränsningar som konventionella elektroner. I deras Naturmaterial papper, författarna konstaterar att de vändningar som genererar detta masslösa Dirac-fermionspektrum kan vara nästan oundvikliga vid tillverkningen av tvåskiktsgrafen och kan introduceras som ett resultat av endast tio atomära misspassningar i en kvadratmikron av tvåskiktsgrafen.

"Nu när vi förstår problemet, vi kan söka efter lösningar, " säger huvudförfattaren Kim. "Till exempel, vi kan försöka utveckla tillverkningstekniker som minimerar vridningseffekterna, eller minska storleken på det tvåskiktsgrafen vi gör så att vi har en bättre chans att producera lokalt rent material."

Utöver att lösa ett grafenmysterium med två lager, Kim och hans kollegor säger att upptäckten av vridningen etablerar ett nytt ramverk där olika grundläggande egenskaper hos tvåskiktsgrafen kan förutsägas mer exakt.

"En läxa här är att inte ens en sådan liten strukturell förvrängning av material i atomskala bör avfärdas när man beskriver de elektroniska egenskaperna hos dessa material fullständigt och exakt, " säger Kim.