I denna närfält infraröda nanoskopi-bild av tvåskiktsgrafen erhållen vid den avancerade ljuskällan, domänväggar avslöjas av ljusa linjer som uppstår på grund av väggarnas elektroniska strukturer och IR -svar.
Till listan över möjliga tillämpningar av grafen-en tvådimensionell halvledare av rent kol som är starkare och mycket snabbare än kisel-kan vi nu lägga till valleytronics, kodningen av data i elektronernas vågliknande rörelse när de rusar genom en ledare. Berkeley Lab-forskare har upptäckt topologiskt skyddade endimensionella elektronledande kanaler vid domänväggarna av dubbelskiktsgrafen. Dessa ledande kanaler är "dalen polariserade, "vilket innebär att de kan fungera som filter för elektrondalspolarisering i framtida enheter som kvantdatorer.
"Kombinerar närfältsinfraröd mikroskopi i nanometerskala och elektriska transportmätningar vid låg temperatur, vi har registrerat de första experimentella observationerna av 1D ballistiska elektronledande kanaler vid tvålagers grafendomänväggar, " säger Feng Wang, en fysiker med kondenserad materia vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde detta arbete. "Dessa 1D-dalpolariserade ledande kanaler hade en ballistisk längd på cirka 400 nanometer vid 4 kelvin. Deras existens öppnar möjligheter för att utforska unika topologiska faser och dalfysik i grafen."
Wang, som också har ett möte med University of California (UC) Berkeley Physics Department, är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i tidskriften Natur . Huvudförfattarna till tidningen är Long Ju och Zhiwen Shi, medlemmar i Wangs forskargrupp.
Valleytronics skapar mycket spänning i den högteknologiska industrin som en potentiell väg till kvantberäkning. Som spintronics, valleytronics erbjuder en enorm fördel i databehandlingshastigheter jämfört med den elektriska laddningen som används i klassisk elektronik.
(från vänster) Long Ju, Zhiwen Shi och Feng Wang använde närfälts IR-nanoskopi för att upptäcka topologiskt skyddade 1D-elektronledande kanaler vid domänväggarna av tvåskiktsgrafen. Upphovsman:Roy Kaltschmidt
"Inom valleytronics, elektroner rör sig genom gittret i en 2D-halvledare som en våg med två energidalar, varje dal kännetecknas av ett tydligt momentum och kvantdalsnummer, "Wang säger." Detta kvantdalsnummer kan användas för att koda information när elektronerna befinner sig i en minimal energidal. "
Nyligen genomförd teoretiskt arbete antydde att domänväggar mellan AB- och BA-staplad dubbelskiktsgrafen skulle kunna utgöra en attraktiv plats för att realisera endimensionella elektronledande kanaler för valleytronik eftersom domänväggarnas jämnhet bevarar elektrondalar, till skillnad från atomdefekterna vid grafenkanter som resulterar i dalblandning. Tills nu, dock, det har inte funnits några experimentella bevis för dessa kanaler.
Arbetar på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en DOE Office of Science User Facility, Wang, Ju, Shi och deras kollegor använde tätt fokuserade strålar av infrarött ljus för att avbilda domänväggar av grafenlager med två lager på plats på enhetens substrat. Fälteffektanordningar tillverkade över dessa domänväggar avslöjade de 1D -ledande kanalerna.
I det dubbelskiktade grafenbildningsarbetet av Feng Wang och hans grupp, IR-ljus (gult) fokuseras på spetsen av en metallbelagd AFM-spets och den tillbakaspridda infraröda strålningen samlas in och mäts.
"De infraröda mätningarna utfördes vid ALS beamline 5.4, " säger Shi. "Närfältets infraröda funktioner hos denna strållinje möjliggör optisk spektroskopi med rumsliga upplösningar som ligger långt över diffraktionsgränsen, så att vi kan avbilda de nanometeromfattande domänväggarna i tvålagers grafen. "
Hittills, Den mesta forskningen inom valleytronics har fokuserat på 2D-halvledare som kallas MX2-material, som består av ett enda lager av övergångsmetallatomer, såsom molybden eller volfram, klämd mellan två lager av kalkogenatomer, såsom svavel. Resultaten av denna studie visar att skyddade topologiska faser också kan realiseras i tvåskiktsgrafen, som är en avstämbar halvledare, vilket gör 2D -kolarken användbara för valleytronic -applikationer.
"Vårt nästa steg är att öka den ballistiska längden på dessa 1D -kanaler så att vi kan använda dem som elektrondalfilter, liksom för andra manipulationer av elektrondalar i grafen, "Säger Wang.
