Endimensionella ledningar skapade i tvåskiktsgrafen som grindar av två par delade grindar ovanför och under arket. Trådar som går i motsatta riktningar bär elektroner i olika daltillstånd märkta som K och K' i figuren. Kredit:Zhu, Penn State
En enhet gjord av tvåskiktsgrafen, ett atomärt tunt hexagonalt arrangemang av kolatomer, ger experimentella bevis på förmågan att kontrollera elektronernas rörelsemängd och erbjuder en väg till elektronik som skulle kunna kräva mindre energi och avge mindre värme än vanliga kiselbaserade transistorer. Det är ett steg framåt i ett nytt fysikfält som kallas valleytronics.
"Nuvarande kiselbaserade transistorenheter förlitar sig på laddningen av elektroner för att slå på eller av enheten, men många labb tittar på nya sätt att manipulera elektroner baserat på andra variabler, kallas frihetsgrader, sa Jun Zhu, docent i fysik, Penn State, som ledde forskningen. "Laddning är en frihetsgrad. Elektronspin är en annan, och förmågan att bygga transistorer baserade på spinn, kallas spintronik, är fortfarande i utvecklingsstadiet. En tredje elektronisk frihetsgrad är elektronernas daltillstånd, som är baserad på deras energi i förhållande till deras momentum."
Tänk på elektroner som bilar och dalstaterna som blå och röda färger, Zhu föreslog, bara som ett sätt att skilja dem åt. Inuti ett ark av tvåskiktsgrafen, elektroner kommer normalt att uppta både röda och blåa daltillstånd och färdas i alla riktningar. Enheten hennes Ph.D. studerande, Jing Li, har jobbat på kan få de röda bilarna att åka åt ena hållet och de blå bilarna åt motsatt håll.
"Systemet som Jing skapade placerar ett par grindar ovanför och under ett tvåskiktsgrafenark. Sedan lägger han till ett elektriskt fält vinkelrätt mot planet, " sa Zhu.
"Genom att applicera en positiv spänning på ena sidan och en negativ spänning på den andra, ett bandgap öppnas i tvåskiktsgrafen, vilket den normalt inte har, " Li förklarade. "I mitten, mellan de två sidorna, vi lämnar ett fysiskt gap på cirka 70 nanometer."
Detta är en skannad elektronmikrofotografi av en enhet som används i detta experiment. Tunna ark av grafen och hexagonal bornitrid staplas och formas med elektronstrålelitografi för att skapa denna enhet. Det lila lagret är det tvåskiktiga grafenarket. Det nedre paret av delade grindar (mörka rutor) är gjorda av flerskiktsgrafen. Det översta paret av delade grindar (guldstänger) är gjorda av guld. De endimensionella ledningarna lever i gapet som skapas av de delade grindarna. Kredit:Zhu, Penn State
Inuti detta gap lever endimensionella metalliska tillstånd, eller ledningar, som är färgkodade motorvägar för elektroner. De röda bilarna åker i en riktning och de blå bilarna åker i motsatt riktning. I teorin, färgade elektroner kunde färdas obehindrat längs ledningarna en lång sträcka med mycket lite motstånd. Mindre motstånd betyder att strömförbrukningen är lägre i elektroniska enheter och mindre värme genereras. Både strömförbrukning och värmehantering är utmaningar i nuvarande miniatyriserade enheter.
"Våra experiment visar att metalltrådarna kan skapas, " sa Li. "Även om vi fortfarande är långt ifrån ansökningar."
Zhu lade till, "Det är ganska anmärkningsvärt att sådana tillstånd kan skapas i det inre av ett isolerande tvålagers grafenark, med bara några få grindar. De är ännu inte motståndsfria, och vi gör fler experiment för att förstå var motstånd kan komma ifrån. Vi försöker också bygga ventiler som styr elektronflödet utifrån färgen på elektronerna. Det är ett nytt koncept för elektronik som kallas valleytronics."
Li arbetade nära den tekniska personalen på Penn States nanotillverkningsanläggning för att förvandla den teoretiska ramen till en fungerande enhet.
"Inriktningen av de övre och nedre grindarna var avgörande och inte en trivial utmaning, sade Chad Eichfeld, nanolitografiingenjör. "Den toppmoderna elektronstrålelitografikapaciteten vid Penn State Nanofabrication Laboratory gjorde det möjligt för Jing att skapa den här nya enheten med funktioner i nanoskala."
