Ett team av fysiker som leds av University of Arizona har upptäckt hur man kan ändra grafenets kristallstruktur, mer känd som blyertspenna, med ett elektriskt fält, ett viktigt steg mot möjlig användning av grafen i mikroprocessorer som skulle vara mindre och snabbare än nuvarande, kiselbaserad teknik.

Grafen består av extremt tunna ark grafit:när man skriver med en penna, grafenark slänger av pennans grafitkärna och fäster vid sidan. Om den placeras under ett kraftfullt elektronmikroskop, grafen avslöjar sin arkliknande struktur av tvärbundna kolatomer, liknar kycklingnät.

När det manipuleras av ett elektriskt fält, delar av materialet omvandlas från att bete sig som en metall till att bete sig som en halvledare, UA-fysikerna hittade.

Grafen är världens tunnaste material, med 300, 000 ark behövs för att uppgå till tjockleken på ett människohår eller ett pappersark. Forskare och ingenjörer är intresserade av det på grund av dess möjliga tillämpningar i mikroelektroniska enheter, i hopp om att driva oss från kiselåldern till grafenåldern. Det knepiga är att kontrollera flödet av elektroner genom materialet, en nödvändig förutsättning för att den ska fungera i någon typ av elektronisk krets.

Brian LeRoy, UA docent i fysik, och hans medarbetare har röjt ett hinder mot det målet genom att visa att ett elektriskt fält kan styra kristallstrukturen hos treskiktsgrafen – som består av tre lager grafen.

De flesta material kräver höga temperaturer, tryck eller båda för att ändra sin kristallstruktur, vilket är anledningen till att grafit inte spontant förvandlas till diamant eller vice versa.

"Det är extremt sällsynt att ett material ändrar sin kristallstruktur bara genom att applicera ett elektriskt fält, LeRoy sa. "Att göra treskiktsgrafen är ett exceptionellt unikt system som kan användas för att skapa nya enheter."

Treskiktsgrafen kan staplas på två unika sätt. Detta är analogt med att stapla lager av biljardbollar i ett triangulärt galler, med kulorna som representerar kolatomerna.

"När du staplar två lager biljardbollar, deras "kristallstruktur" är fixerad eftersom det översta lagret av kulor måste sitta i hål som bildas av trianglarna i det nedre lagret, " förklarade Matthew Yankowitz, en tredjeårs doktorand i LeRoys labb. Han är den första författaren till den publicerade forskningen, som står i journalen Naturmaterial . "Det tredje lagret av bollar kan staplas på ett sådant sätt att dess kulor ligger jämnt ovanför kulorna i det nedre lagret, eller så kan den vara något förskjuten så att dess kulor kommer att ligga ovanför hålen som bildas av trianglar i bottenskiktet."

Dessa två staplingskonfigurationer kan naturligt existera i samma grafenflaka. De två domänerna är åtskilda av en skarp gräns där kolhexagonerna spänns för att rymma övergången från ett staplingsmönster till det andra.

"På grund av de olika staplingskonfigurationerna på vardera sidan av domänväggen, ena sidan av materialet beter sig som en metall, medan den andra sidan beter sig som en halvledare, " förklarade LeRoy.

När du sonderar domänväggen med ett elektriskt fält, appliceras av en extremt vass metallspets med skanningstunnelmikroskopi, forskarna i LeRoys grupp upptäckte att de kunde flytta domänväggens position inom grafenflagan. Och när de flyttade domänväggen, kristallstrukturen hos treskiktsgrafenet förändrades i dess spår.

"Vi hade idén att det skulle finnas intressanta elektroniska effekter vid gränsen, och gränsen fortsatte att röra sig runt oss, LeRoy sa. "Först var det frustrerande, men när vi väl insåg vad som pågick, det visade sig vara den mest intressanta effekten."

Genom att applicera ett elektriskt fält för att flytta gränsen, det är nu för första gången möjligt att ändra grafenets kristallstruktur på ett kontrollerat sätt.

"Nu har vi en ratt som vi kan vrida för att ändra materialet från metalliskt till halvledande och vice versa för att kontrollera flödet av elektroner, " sa LeRoy. "Det ger oss i princip en på-av-knapp, som ännu inte hade realiserats i grafen."

Medan mer forskning behövs innan grafen kan användas i tekniska tillämpningar i industriell skala, forskare ser hur det kan användas.

"Om du använde en bred elektrod istället för en spetsig spets, du kan flytta gränsen mellan de två konfigurationerna ett längre avstånd, som skulle kunna göra det möjligt att skapa transistorer från grafen, " sa Yankowitz.

Transistorer är en stapelvara i elektroniska kretsar eftersom de styr flödet av elektroner.

Till skillnad från kiseltransistorer som används nu, grafenbaserade transistorer kan vara extremt tunna, gör enheten mycket mindre, och eftersom elektroner rör sig genom grafen mycket snabbare än genom kisel, enheterna skulle möjliggöra snabbare datoranvändning.

Dessutom, kiselbaserade transistorer tillverkas för att fungera som en av två typer - p-typ eller n-typ - medan grafen kan fungera som båda. Detta skulle göra dem billigare att producera och mer mångsidiga i sina applikationer.