(Vänster) Nanoenhetsstruktur för att mäta grafens elektroniska egenskaper. Grafen är inklämt mellan två hBTN-lager och de två elektroderna (grafit och kisel). (Höger) Konduktans av enskiktsgrafen vid olika spänningar, visar dippen vid cirka 350 mV. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Graphenes ovanliga elektroniska struktur gör det möjligt för detta extraordinära material att slå många rekord av styrka, el och värmeledning. Fysiker vid Centrum för teoretisk fysik av komplexa system (PCS), i samarbete med Research Institute for Standards and Science (KRISS), använde en modell för att förklara den elektroniska strukturen hos grafen mätt med en ny spektroskopisk plattform. Dessa tekniker, publiceras i tidskriften Nanobokstäver , skulle kunna främja framtida forskning om stabila och exakta kvantmätningar för ny 2D-elektronik.
Nyligen, intresset för 2D-material har ökat exponentiellt i både akademi och industri. Dessa material är tillverkade av extremt tunna ark, som har olika fysikaliska egenskaper jämfört med konventionella 3D-material. Dessutom, när olika 2D-ark staplas ovanpå varandra, ny el, optisk, och termiska egenskaper framträder. Ett av de mest lovande och mycket studerade 2-D-materialen är grafen:ett enda ark kolatomer. För att studera de elektroniska egenskaperna hos både enkel- och dubbelskiktsgrafen, teamet konstruerade en nanoenhet med grafen inklämt mellan två lager av ett isolerande material som kallas hexagonal bornitrid (hBN). Ovanpå denna enhet placerade de grafit som elektrod. Grafit består i huvudsak av hundratusentals lager av grafen. Det undre lagret bestod av ett lager kisel och ett av kiseldioxid.
Genom att ställa in spänningarna som appliceras via grafiten och kislet, forskarna mätte förändringarna i konduktans av grafen, som återspeglar dess elektroniska egenskaper. Elektronerna i grafen har en speciell energistruktur, representeras av den så kallade Dirac-konen, som faktiskt är gjord av två kottar som ser ut som ett sandglas, med bara en oändligt liten punkt emellan (Dirac Point). Du kan tänka på det som ett ovanligt cocktailglas format som ett sandglas, där drycken spelar funktionen av grafenens elektroner. Vid temperatur nära noll Kelvin (-273 grader Celsius), elektronerna packas till de lägsta tillgängliga energitillstånden och fyller upp dubbelkonglaset från botten och upp, tills en viss energinivå, kallas Fermi nivå, är nådd. Att lägga på en negativ spänning via kisel- och grafitskikten är likvärdigt med att dricka ur glaset, medan en positiv spänning har samma effekt som att tillsätta vätska till glaset. Genom att modulera de applicerade spänningarna, forskarna kunde härleda den elektroniska strukturen av grafen genom att följa Fermi-nivån. Särskilt, de märkte att när spänningen som appliceras på grafit är runt 350 millivolt, det finns ett fall i konduktansmätningen, där Fermi-nivån matchar Dirac-punkten. Detta är en välkänd egenskap hos enskiktsgrafen.
Grafen elektronisk struktur representerad av Dirac-konen. Med hjälp av metaforen om ett sandglasformat cocktailglas, skillnaderna i de elektroniska strukturerna visas som fyllning av glaset med en vätska gjord av elektroner. Att lägga på negativ spänning motsvarar att dricka, och positiv spänning för att fylla glaset med mer vätska (=elektroner). Ferminivån är den maximala nivån där du kan hitta elektroner, medan den smalaste delen av sandglaset kallas Dirac point. Kredit:Freepiks
Till sist, de elektriska egenskaperna ändras igen när ett magnetiskt fält appliceras på enskiktsgrafenet. I detta fall, istället för ett cocktailglas i sandglas, elektronernas energi liknar mer en stege där elektroner med ökande energi kan hittas på de högre stegpinnarna. Mellanrum mellan stegpinnarna saknar elektroner, medan stegen fylls med elektroner från botten och uppåt. Intressant, data som erhållits av KRISS-forskarna reproducerades framgångsrikt av teoretiska fysiker vid IBS visade mer än 40 steg, tekniskt kända som Landau-nivåer. Varje nivå skilde sig tydligt på grund av det låga bakgrundsljudet.
Verkligen, forskarna kunde också matcha de teoretiska och experimentella data i förhållande till de elektroniska egenskaperna hos tvåskiktsgrafen. Dubbellager grafen, har ett annat konduktansbeteende med en bredare dopp, mer känd som ett energigap. I närvaro av ett elektriskt fält vinkelrätt mot det, detta energigap gör att dubbelskiktsgrafen mer liknar de nuvarande avstämbara halvledarna. "Vi använde en intuitiv modell för att reproducera den experimentella mätningen och vi gav en teoretisk förklaring till varför dessa energikonfigurationer bildas med enkel- och dubbelskiktsgrafen, "förklarar MYOUNG Nojoon, första medförfattare till denna studie. "Denna modell ger en mätare mellan spänningar och energi i spektroskopiska mätningar, och vi tror att detta är ett grundläggande steg för att studera grafens elektroniska egenskaper vidare."
Enskiktsgrafen i (a-c) och utan (b-d) närvaron av ett vinkelrät magnetfält (1 Tesla). Den teoretiska modellen (c-d) som erhållits av IBS-forskare, matchar perfekt experimentdata (a-b). I närvaro av ett magnetfält, elektroner tillåts endast uppta vissa energinivåer. Remsorna representerar energinivåer där elektroner är eller inte är tillåtna:Elektroner får bara stanna i de ljusa ränderna (tekniskt kända som Landau -nivåer).
