Ett internationellt team av forskare som leds av Columbia University har utvecklat en teknik för att manipulera den elektriska ledningsförmågan hos grafen med kompression, att föra materialet ett steg närmare att vara en livskraftig halvledare för användning i dagens elektroniska enheter.

"Grafen är den bästa elektriska ledaren vi känner till på jorden, sade Matthew Yankowitz, en postdoktor vid Columbias fysikavdelning och första författare till studien. "Problemet är att det är för bra på att leda el, och vi vet inte hur vi ska stoppa det effektivt. Vårt arbete etablerar för första gången en väg till att realisera ett tekniskt relevant bandgap i grafen utan att kompromissa med dess kvalitet. Dessutom, om den appliceras på andra intressanta kombinationer av 2D-material, tekniken vi använde kan leda till nya framväxande fenomen, såsom magnetism, supraledning, och mer."

Studien, finansierat av National Science Foundation och David and Lucille Packard Foundation, visas i 17 maj-numret av Natur .

De ovanliga elektroniska egenskaperna hos grafen, ett tvådimensionellt (2D) material som består av hexagonalt bundna kolatomer, har upphetsat fysikgemenskapen sedan upptäckten för mer än ett decennium sedan. Grafen är det starkaste, det tunnaste materialet som finns. Det råkar också vara en överlägsen ledare av elektricitet - det unika atomarrangemanget av kolatomerna i grafen gör att dess elektroner lätt kan färdas med extremt hög hastighet utan betydande risk för spridning, spara värdefull energi som vanligtvis går förlorad i andra ledare.

Men att stänga av överföringen av elektroner genom materialet utan att ändra eller offra grafenens gynnsamma egenskaper har hittills visat sig misslyckat.

"Ett av de stora målen inom grafenforskning är att komma på ett sätt att behålla alla de goda sakerna med grafen men också skapa ett bandgap - en elektrisk på/av-brytare, sa Cory Dean, biträdande professor i fysik vid Columbia University och studiens huvudutredare. Han förklarade att tidigare ansträngningar att modifiera grafen för att skapa ett sådant bandgap har försämrat de inneboende goda egenskaperna hos grafen, vilket gör det mycket mindre användbart. En överbyggnad visar lovande, dock. När grafen är inklämt mellan lager av bornitrid (BN), en atomärt tunn elektrisk isolator, och de två materialen är rotationsinriktade, BN har visat sig modifiera grafenens elektroniska struktur, skapa ett bandgap som gör att materialet kan bete sig som en halvledare – det vill säga, både som elektrisk ledare och isolator. Bandgapet som skapas av enbart denna skiktning, dock, är inte tillräckligt stor för att vara användbar vid drift av elektriska transistoranordningar vid rumstemperatur.

I ett försök att öka denna bandgap, Yankowitz, Dekanus, och deras kollegor vid National High Magnetic Field Laboratory, universitetet i Seoul i Korea, och National University of Singapore, komprimerade skikten av BN-grafenstrukturen och fann att applicering av tryck avsevärt ökade storleken på bandgapet, mer effektivt blockerar flödet av elektricitet genom grafenet.

"När vi klämmer och utövar tryck, bandgapet växer, " sa Yankowitz. "Det är fortfarande inte ett tillräckligt stort gap - en tillräckligt stark strömbrytare - för att användas i transistorenheter vid rumstemperatur, men vi har fått en fundamentalt bättre förståelse för varför denna bandgap existerar i första hand, hur den kan ställas in, och hur vi kan rikta in oss på det i framtiden. Transistorer finns överallt i våra moderna elektroniska enheter, så om vi kan hitta ett sätt att använda grafen som en transistor skulle det ha utbredda tillämpningar."

Yankowitz tillade att forskare har utfört experiment vid höga tryck i konventionella tredimensionella material i flera år, men ingen hade ännu kommit på ett sätt att göra dem med 2D-material. Nu, forskare kommer att kunna testa hur olika grader av tryck förändrar egenskaperna hos ett stort antal kombinationer av staplade 2D-material.

"Alla framträdande egenskaper som härrör från kombinationen av 2D-material bör växa sig starkare när materialen komprimeras, ", sa Yankowitz. "Vi kan ta vilken som helst av dessa godtyckliga strukturer nu och pressa dem och styrkan av den resulterande effekten är avstämbar. Vi har lagt till ett nytt experimentellt verktyg till verktygslådan vi använder för att manipulera 2D-material och det verktyget öppnar gränslösa möjligheter för att skapa enheter med designeregenskaper."