På en annars normal dag i labbet, Eva Andrei förväntade sig inte att göra någon större upptäckt. Andrei, en fysikprofessor vid Rutgers University, använde grafit - materialet i pennor - för att kalibrera ett skanningstunnelmikroskop. Som en del av processen, hon slog på ett mycket kraftfullt magnetfält. När hon tittade upp för att se materialets elektroniska spektrum, hon var förvånad. "Vi såg enorma, vackra toppar där uppe, helt otroligt. Och de hade ingen mening, "mindes hon.

Minns en föreläsning som hon nyligen deltog i, hon insåg att grafiten hade separerats i ark som bara var en atom tjocka. Detta material, känd som grafen, har bisarra elektroniska egenskaper. Men även för grafen, spektrumet hon såg var konstigt. Faktiskt, ingen hade någonsin sett något liknande förut. Som Andrei beskrev det, hennes kollega "gick galet i korridoren och bara skrek 'Graphene!'" Andrei hade gjort en serendipitous upptäckt - ett nytt elektriskt fenomen.

Detta var varken första eller sista gången som elektroners rörelse i grafen skulle överraska och glädja forskare. En av de mest imponerande sakerna med grafen är hur snabbt elektroner rör sig genom den. De reser genom det mer än 100 gånger snabbare än de gör genom kislet som används för att göra datormarker. I teorin, detta tyder på att tillverkare kan använda grafen för att göra supersnabba transistorer för snabbare, thinner, mer kraftfulla pekskärmar, elektronik, och solceller.

Men det som gör grafen så fantastiskt hindrar också dess användning:Elektroner flödar genom sin bikakestruktur för lätt. Till skillnad från kisel, grafen saknar bandgap. Bandgap är mängden energi en elektron måste få för att frigöra sig från en atom och flytta till andra atomer för att leda en ström. Som en vägtull på en motorväg, elektroner måste "betala" med energi för att gå vidare. Elektroniska enheter använder bandgap som portar för att styra var och när elektroner flyter. Saknar bandgap, grafens struktur fungerar som en elektronisk motorväg utan stoppskyltar.

"Grafens elektroner är så vilda och går inte att tämja; det är svårt att skapa en lucka, sa Andrei.

Den bristen på bandgap gör grafen för närvarande mycket svårt att använda i modern elektronik. Forskare som stöds av Department of Energy's (DOE:s) vetenskapskontor undersöker sätt att övervinna denna utmaning och andra för att styra grafens elektronstrafik.

Elektroner som beter sig som ljuspartiklar

Material som bara är några få atomer tjocka agerar fundamentalt annorlunda än större mängder av samma material.

"Den största utmaningen är att ha en tillförlitlig förståelse för materialens egenskaper, "sa Lilia Woods, fysikprofessor vid University of South Florida.

Även för ett material som är platt, grafen har några udda egenskaper. I de flesta material, elektroner rör sig i olika hastigheter. Men i grafen, de rör sig alla i samma hastighet. Faktiskt, elektroner i grafen fungerar som om de inte har någon masseliknande partiklar av ljus. Det är en anledning till att elektronerna rör sig så snabbt och är så svåra att kontrollera.

Styr elektrontrafiken

Att studera grafens beteende är en sak. Att räkna ut hur man manipulerar det är ett annat. Forskare har drivit flera olika sätt att styra elektronerna i grafen:utveckla nanoribon, sträcker det, para den med bornitrid (ett annat atomhögt material), och applicera elektriska laddningar på tomma utrymmen i den. Forskare följer flera tillvägagångssätt eftersom de inte vet vilken som fungerar bäst. Sålänge, varje tillvägagångssätt ger sin egen unika inblick i grafens grundläggande egenskaper.

Graphene Nanoribbons

Att producera grafenanoribbon är ett sätt att göra ett material som redan är ofattbart tunt, ännu tunnare. Dessa band behåller många av grafens positiva egenskaper samtidigt som de potentiellt ger forskare bättre kontroll över hur elektronerna beter sig, inklusive att skapa bandgap.

"Du kan se dessa små band som elektroniska kretselement, "sa Michael Crommie, en fysiker vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Undersökningen av nanoribon började innan forskare ens kom in i labbet. Baserat på beräkningar, fysiker teoretiserade för mer än ett decennium sedan att nanoribbons kunde erbjuda nya sätt att manipulera grafens elektroniska egenskaper. Experimentister har bekräftat denna idé genom att utveckla nanoribon med konsekventa, rena kanter.

Till exempel, forskare vid University of Wisconsin och på andra håll utvecklade grafen -nanoribbon som visade en bandgap. De visade att när bredden på ett nanoribon är mindre än tre nanometer, ungefär tjockleken på en DNA -sträng, det utvecklar en betydande bandgap. Det blir också en halvledare. Till skillnad från grafens elektroniska motorväg, halvledare kan växla fram och tillbaka mellan att leda el eller inte. Ju smalare band, ju större gap eller "energitull" -elektronerna behöver.

Men en utmaning är hur man gör ett enda nanoribon som har flera bredder och därför regioner med olika bandgap. Nanoribbons med en enda bredd ger inte forskare den kontrollnivå som krävs för att utforma komplexa kretsar. För att lösa det här problemet, Berkeley Lab -forskare smält ihop segment av band med olika bredder. Denna "bandgap -teknik" är avgörande för tillverkning av halvledarenheter och ett stort steg mot att använda grafen i kretsar.

Dessa nanoribb kan inte användas av sig själva, så forskare undersöker för närvarande hur nanoribbon interagerar med olika ytor. Forskare vid University of South Florida studerade grafen -nanoribon på kiselkarbid (SiC) -substrat. De fann att hur vissa kanter på nanoribb fäster vid SiC -substratet påverkar bandgapet. Nanoribbons med olika bredder och kanter förankrade på olika substrat kan ge forskare mer kontroll över elektronegenskaper än nanoribbons som inte alls är förankrade.

Sträckande grafen

Stretching grafen erbjuder en alternativ väg för att kontrollera dess egenskaper. När forskare sträcker grafen på ett specifikt sätt, det bildar små bubblor där elektroner fungerar som om de faktiskt befinner sig i ett mycket kraftfullt magnetfält. Dessa bubblor ger forskare nya möjligheter att manipulera elektrontrafik i grafen.

Denna upptäckt var också en fullständig olycka. Ett team på Berkeley Labhappened att växa ett lager av grafen på ytan av en platina kristall i en vakuumkammare. När forskare testade grafen, de märkte att dess elektroner agerade konstigt. Snarare än att röra sig som de normalt gör i ett smidigt kontinuum, elektronerna i grafen -nanobubblorna samlades vid mycket specifika energier. När forskare jämförde sina resultat med vad teorin föreslog, de fann att elektronerna betedde sig som om de befann sig i ett ultrastark magnetfält. Dock, det fanns inget faktiskt magnetfält.

Med grafen, "ofta jagar vi efter en sak och vi hittar något helt oväntat, "Sa Crommie.

Parning med boritnitrid

När forskare först utforskade grafens egenskaper, de placerade den ovanpå kiseldioxid. Eftersom kiseldioxid är en vanlig isolator för elektronikapplikationer, det verkade som en perfekt match. Dock, grafen nådde inte sin fulla potential.

James Hone, en professor i maskinteknik vid Columbia University, kom ihåg att tänka, "Finns det ett skiktat material som grafen som skulle passa naturligt?"

Hones team upptäckte så småningom att grafen fungerar mycket bättre när du lägger det på bornitrid istället. Som grafen, bornitrid kan endast göras några få atomer tjock och har samma bikakestruktur. Dock, det är en isolator som hindrar elektroner från att röra sig genom den.

De fann att att sätta bornitrid och grafen tillsammans kan producera ett nytt material vars egenskaper är mycket flexibla. Denna kombination är så lovande att Alex Zettl från Berkeley Lab skämtade om att hans laboratorium nu är "Boron Nitride R Us." Han kommenterade, "Att ha bornitrid påverkar grafen är ett mycket kraftfullt verktyg."

Vanligt ljus kan erbjuda ett sätt att påverka elektroner i detta nya kompositmaterial. Berkeley Lab-forskare har funnit att de kan använda ljus från en enkel lampa för att skapa en viktig halvledaranordning som kallas en "p-n-övergång". P-n-korsningar har en sida som är positiv och saknar elektroner och en annan sida som är negativ med extra elektroner. Genom att noggrant utforma dessa korsningar, ingenjörer kan styra hur och när elektroner rör sig mellan materialets två sidor. De är som portarna som lyfter upp och ner vid en vägtullbod.

Forskare insåg att om de kunde fixa, statiska laddningar i bornitrid på ett specifikt sätt, de skulle kunna generera en p-n-korsning i den närliggande grafen. För att skapa p-n-korsningen, forskarna förberedde först grafenvägen för att ha ett överskott av elektroner, eller vara en region av n-typ. Sedan, genom att lysa på den underliggande bornitrid, de skapade en grop, eller p-typ region, i grafen. Så med en ljuspuls och bornitrid som medlare, de kunde "skriva" p-n-korsningar-vägtullar-in i grafen efter behov.

Även efter att forskare släckt ljuset, aktiveringen av bornitrid och dess påverkan på elektrontrafiken i den närliggande grafen, stannade på plats i dagar. Forskarna upptäckte också att de kunde radera och återskapa dessa korsningar, vilket kan vara viktigt för att utforma elektroniska enheter.

Nu använder forskare skanningstunnelmikroskop, som använder tips i nanometerstorlek för att leda elektricitet, att göra samma sak med mer precision.

Ladda upp tomma utrymmen i Graphene

På grund av sin unika struktur, grafen förblir stabil även när forskare slår hål i den. Andrei team från Rutgers University utnyttjade detta faktum för att skapa en "artificiell atom" som påverkar närliggande elektroner i den oskadade delen av grafen. Först, forskare sköt helium mot grafen på ett substrat, slår ut en enda kolatom. De använde sedan ett skanningstunnelmikroskop för att applicera en positiv laddning på substratet under det tomma utrymmet där den saknade atomen brukade sitta. Som en riktig atom, att positiv laddning påverkade elektronernas banor i den omgivande grafen. Att skapa dessa konstgjorda atomer kan vara ett annat sätt att framtida enheter kan styra elektronflödet i grafen.

Framtiden för grafen

Den kanske mest överraskande av dessa vändningar är att framtiden kanske inte ligger i grafen alls. När forskare undersökte grafens unika elektroniska egenskaper, de upptäckte nya extremt tunna material tillverkade av andra element än kol. Om ett material bara är några få atomer tjockt och har en bikakestruktur, det kan visa många av grafens elektroniska egenskaper. Faktiskt, forskare har hittat material av kisel, germanium, och tenn som verkar påfallande lik grafen. Att använda dessa material själv eller i kombination med grafen kan erbjuda bättre egenskaper än grafen ensam.

Sålänge, forskare kommer att fortsätta undersöka de konstiga egenskaperna hos detta ofta överraskande material. Som Philip Kim, en fysikprofessor vid Harvard University sa:"[Graphene] ger dig alltid lite nytt, spännande vetenskap som vi inte förväntat oss. "