Germanene är ett 2D-material som härrör från germanium och relaterat till grafen. Eftersom det inte är stabilt utanför vakuumkamrarna där det produceras, inga riktiga mätningar av dess elektroniska egenskaper har gjorts. Forskare under ledning av prof. Justin Ye vid universitetet i Groningen har nu producerat enheter med stabil germanen. Materialet är en isolator, och det blir en halvledare efter måttlig uppvärmning och en mycket bra metallisk ledare efter starkare uppvärmning. Resultaten publicerades i tidskriften Nanobokstäver .

Material av bara ett atomlager är av intresse vid konstruktionen av nya typer av mikroelektronik. Den mest kända av dessa, grafen, är en utmärkt dirigent. Material som kisel och germanium kan också vara intressanta, eftersom de är helt kompatibla med väletablerade protokoll för enhetstillverkning, och skulle sömlöst kunna integreras i den nuvarande halvledarteknologin.

"Men 2D-versionen av germanium, germanene, är mycket instabil, " förklarar University of Groningen docent i enhetsfysik Justin Ye. Germanene tillverkas av germanium genom att tillsätta kalcium. Kalciumjonerna skapar 2D-lager från en 3-D-kristall och ersätts sedan av väte. Dessa 2-D-lager av germanium och väte kallas germanan. Men när vätet väl har tagits bort för att bilda germanen, materialet blir instabilt.

Ye och hans kollegor löste detta på ett anmärkningsvärt enkelt sätt. De gjorde enheter med den stabila germanane, och värmde sedan upp materialet för att avlägsna vätet. Detta resulterade i stabila enheter med germanen, vilket gjorde det möjligt för forskarna att studera dess elektroniska egenskaper.

Väte

"Det ursprungliga materialet var en isolator, säger Ye. En doktorand från hans grupp värmde upp dessa enheter, vilket är en beprövad metod för att öka konduktiviteten. Han noterade att materialet blev mycket ledande, och dess motstånd var bara en storleksordning över grafenens. "Så det blev en utmärkt metallisk ledare." Ytterligare experiment visade att måttlig uppvärmning (upp till 200°C) gav halvledande germanan.

Germanene kan, därför, vara en isolator, en halvledare eller en metallisk ledare, beroende på vilken värmebehandling den bearbetas med. Det förblir stabilt efter att ha kylts till rumstemperatur. Uppvärmningen gör att flerskiktsflingor av germanen blir tunnare - en bekräftelse på att förändringen i konduktivitet med största sannolikhet orsakas av att väte försvinner.

Germanene kan vara av intresse för konstruktionen av spintroniska enheter. Dessa enheter använder en ström av elektronsnurr. Detta är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, som bäst kan föreställas som elektroner som snurrar runt sin egen axel, får dem att bete sig som små kompassnålar. Grafen är en utmärkt ledare för elektronspin, men det är svårt att kontrollera spinn i detta material på grund av deras svaga interaktion med kolatomerna (spin-omloppskoppling).

"Germaniumatomerna är tyngre, vilket betyder att det finns en starkare spin-omloppskoppling, " säger Ye. Detta skulle ge bättre kontroll över spinn. Att kunna konstruera metallisk germanen med både utmärkt ledningsförmåga och stark spin-omloppskoppling borde därför bana väg för spintroniska enheter.