Nytt material behövs för att ytterligare minska storleken på elektroniska komponenter och på så sätt göra enheter som bärbara datorer och smartphones snabbare och effektivare. Små nanostrukturer av det nya materialet grafen är lovande i detta avseende. Grafen består av ett enda lager kolatomer och, bland annat, har en mycket hög elektrisk konduktivitet. Dock, den extrema rumsliga inneslutningen i sådana nanostrukturer påverkar starkt deras elektroniska egenskaper. Ett team som leds av professor Michael Bonitz från Institute for Theoretical Physics and Astrophysics (ITAP) vid Kiel University har nu lyckats simulera det detaljerade beteendet hos elektroner i dessa speciella nanostrukturer med hjälp av en genomarbetad beräkningsmodell. Denna kunskap är avgörande för den potentiella användningen av grafen -nanostrukturer i elektroniska enheter.

Exakt simulering av elektronernas egenskaper i nanostrukturer

Förra året, två forskargrupper lyckades oberoende av varandra tillverka smala, atomiskt exakta grafen -nanoribon och mäta deras elektronenergier. Bredden på nanobanden varierar på ett exakt kontrollerat sätt. Varje del av nanoribonen har sina egna energistater med sin egen elektroniska struktur. "Dock, mätresultaten kunde inte återges helt av tidigare teoretiska modeller, säger Bonitz, som leder ordföranden för statistisk fysik på ITAP. Tillsammans med sin doktorsexamen student Jan-Philip Joost och deras danska kollega professor Antti-Pekka Jauho från Danmarks Tekniske Universitet (DTU), de utvecklade en förbättrad modell som ledde till en utmärkt överensstämmelse med experimenten. Fysikerna presenterar sina teoretiska resultat i det aktuella numret av den berömda tidskriften Nanobokstäver .

Grunden för de nya och mer exakta datorsimuleringarna var antagandet att avvikelserna mellan experimentet och tidigare modeller orsakades av detaljerna i elektronernas ömsesidiga repulsion. Även om denna Coulomb -interaktion också finns i metaller, och verkligen ingick i tidigare simuleringar på ett grovt sätt, effekten är mycket större i de små grafen nanorbanden, och kräver en detaljerad analys. Elektronerna utvisas från sina ursprungliga energitillstånd och måste 'söka' efter andra platser, som Bonitz förklarar:"Vi kunde bevisa att korrelationseffekter på grund av Coulomb-interaktionen mellan elektronerna har en dramatisk inverkan på det lokala energispektrumet".

Nanoribbons form bestämmer deras elektroniska egenskaper

Hur elektronernas tillåtna energivärden beror på längden, bredd, och formen på nanostrukturerna har klargjorts av teamet genom att undersöka många sådana nanoband. "Energispektrumet förändras också när nanoribbons geometri, deras bredd, och form, är modifierad, "tillägger Joost." För första gången, våra nya data gör det möjligt att göra exakta förutsägelser om hur energispektrumet kan kontrolleras genom att specifikt variera formen på nanorbanden, "säger Jauho från DTU i Köpenhamn. Forskarna hoppas att dessa förutsägelser nu också kommer att testas experimentellt och leda till utveckling av nya nanostrukturer. Sådana system kan ge viktiga bidrag till den fortsatta miniatyriseringen av elektronik.