Figur 1. Kristallstruktur av Ca-interkalerat tvåskikts-grafen tillverkat på SiC-substrat. Insättning av Ca -atomer mellan två grafenlager orsakar supraledning.
Grafen är ett enatomat kolark med ett sexkantigt bikakanät (fig. 1). Elektroner i grafen tar ett speciellt elektroniskt tillstånd som kallas Dirac-cone där de beter sig som om de inte har någon massa. Detta gör att de kan flöda med mycket hög hastighet, vilket ger grafen en mycket hög elektrisk konduktivitet.
Detta är signifikant eftersom elektroner utan massa som flödar utan motstånd i grafen kan leda till förverkligandet av en slutligen höghastighets nano-elektronisk enhet.
Samarbetsteamet vid Tohoku University och University of Tokyo har utvecklat en metod för att odla grafen av hög kvalitet på en kiselkarbid (SiC) -kristall genom att styra antalet grafenark. Teamet tillverkade tvåskiktsgrafen med denna metod och satte sedan in kalcium (Ca) -atomer mellan de två grafenlagren som en smörgås (fig. 1).
De mätte den elektriska konduktiviteten med mikro fyrpunkts sondmetoden och fann att den elektriska resistiviteten snabbt sjunker vid cirka 4 K (-269 ° C), indikerar en uppkomst av supraledning (fig. 2).
Teamet fann också att varken äkta tvåskiktsgrafen eller litiuminterkalerat tvåskiktsgrafen visar supraledning, vilket indikerar att supraledningsförmågan drivs av elektronöverföringen från Ca -atomer till grafenark.
Framgången med att tillverka supraledande grafen förväntas påverka kraftigt både den grundläggande och tillämpade forskningen av grafen.
Fig.2 Temperaturberoende av elektrisk resistivitet för Ca-interkalerat tvålagers grafen, mätt med mikro-fyrpunkts-sondmetoden (infälld). Resistiviteten visar en snabb minskning vid cirka 4 K och når "noll" vid 2 K, visar uppkomsten av supraledning.
Det är för närvarande inte klart vilket fenomen som sker när Dirac -elektronerna utan massa blir supraledande utan motstånd. Men baserat på de senaste studieresultaten, ytterligare experimentella och teoretiska undersökningar skulle hjälpa till att upptäcka egenskaperna hos supraledande grafen.
Den supraledande övergångstemperaturen (Tc) som observerats i denna studie på Ca-interkalerad tvålagers grafen är fortfarande låg (4 K). Detta föranleder ytterligare studier om sätt att öka Tc, till exempel, genom att ersätta Ca med andra metaller och legeringar, eller ändra antalet grafenark.
Ur applikationssynpunkt, de senaste resultaten banar väg för vidareutveckling av ultrahöghastighets supraledande nano-enheter, till exempel en kvantberäkningsenhet, som använder supraledande grafen i sin integrerade krets.
