Grafen har i allmänhet beskrivits som en tvådimensionell struktur - ett enda ark av kolatomer ordnade i en regelbunden struktur - men verkligheten är inte så enkel. I verkligheten, grafen kan bilda rynkor som gör strukturen mer komplicerad, potentiellt tillämpas på enhetssystem. Grafenen kan också interagera med substratet som den läggs på, lägga till ytterligare komplexitet.

I forskning publicerad i Naturkommunikation , RIKEN-forskare har nu upptäckt att rynkor i grafen kan begränsa elektronernas rörelse till en dimension, bildar en kopplingsliknande struktur som ändras från nollgapledare till halvledare tillbaka till nollgapledare. Dessutom, de har använt spetsen på ett skanningstunnelmikroskop för att manipulera bildningen av rynkor, öppna vägen för konstruktionen av grafenhalvledare inte genom kemiska medel – genom att lägga till andra element – ​​utan genom att manipulera själva kolstrukturen i en form av "grafenteknik".

Upptäckten började när gruppen experimenterade med att skapa grafenfilmer med kemisk ångavsättning, som anses vara den mest tillförlitliga metoden. De arbetade med att bilda grafen på ett nickelsubstrat, men framgången med denna metod beror mycket på temperaturen och kylningshastigheten.

Enligt Hyunseob Lim, tidningens första författare, "Vi försökte odla grafen på ett enda kristallint nickelsubstrat, men i många fall skapade vi en förening av nickel och kol, Ni2C, snarare än grafen. För att lösa problemet, vi försökte snabbt kyla provet efter doseringen med acetylen, och under den processen hittade vi av misstag små nanrynkor, bara fem nanometer bred, i provet."

De kunde avbilda dessa små rynkor med skanningstunnelmikroskopi, och upptäckte att det fanns bandgapöppningar inom dem, vilket indikerar att rynkorna kan fungera som halvledare. Normalt strömmar elektroner och elektronhål fritt genom en ledare utan bandgap, men när det är en halvledare finns det bandgap mellan de tillåtna elektrontillstånden, och elektronerna kan bara passera genom dessa luckor under vissa förhållanden. Detta indikerar att grafen kan, beroende på rynkor, bli en halvledare.

Inledningsvis övervägde de två möjligheter för uppkomsten av denna bandgap. En är att den mekaniska påkänningen kan orsaka ett magnetiskt fenomen, men de uteslöt detta, och drog slutsatsen att fenomenet orsakades av inneslutningen av elektroner i en enda dimension på grund av "kvantinneslutning".

Enligt Yousoo Kim, chef för Surface and Interface Science Laboratory, som ledde laget, "Ända tills nu, försök att manipulera grafens elektroniska egenskaper har huvudsakligen gjorts med kemiska medel, men nackdelen med detta är att det kan leda till försämrade elektroniska egenskaper på grund av kemiska defekter. Här har vi visat att de elektroniska egenskaperna kan manipuleras enbart genom att ändra formen på kolstrukturen. Det ska bli spännande att se om detta kan leda till sätt att hitta nya användningsområden för grafen."