I över ett decennium, teoretiska fysiker har förutspått att van Hove-singulariteten hos grafen kan associeras med olika exotiska faser av materia, den mest anmärkningsvärda är kiral supraledning.

En van Hove-singularitet är i huvudsak en icke-jämn punkt i tillståndstätheten (DOS) för ett kristallint fast ämne. När grafen når eller är nära denna specifika energinivå, ett platt band utvecklas i sin elektroniska struktur som kan uppta ett exceptionellt stort antal elektroner. Detta leder till starka många-kroppsinteraktioner som främjar eller möjliggör existensen av exotiska tillstånd av materia.

Än så länge, den exakta graden till vilken de tillgängliga energinivåerna av grafen behöver fyllas med elektroner (d.v.s. "dopad") för att enskilda faser ska stabiliseras har varit mycket svårt att avgöra med hjälp av modellberäkningar. Att identifiera eller designa tekniker som kan användas för att dopa grafen till eller bortom van Hove-singulariteten kan i slutändan leda till intressanta observationer relaterade till exotiska faser av materia, vilket i sin tur kan bana väg mot utvecklingen av ny grafenbaserad teknologi.

Forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, Tyskland har nyligen utarbetat ett tillvägagångssätt för att överdopa grafen bortom van Hove-singulariteten. Deras metod, presenteras i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , kombinerar två olika tekniker, nämligen ytterbiuminterkalering och kaliumadsorption.

"En experimentellt avstämbar elektrontäthet i närheten av van Hove-singulariteten skulle vara mycket önskvärd, "Philipp Rosenzweig, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Tidigare experiment har visat att grafen verkligen kan stabiliseras ('nålas') på van Hove-nivå och att laddningsbärare sedan kan tas bort från detta stiftscenario. Frågan vi ställde, dock, är kan vi också överföra fler elektroner till grafenskiktet, övervinna van Hove pinning och over-dope bortom singulariteten? Förutom det rena principbeviset, detta skulle öppna upp en outforskad lekplats av korrelerade faser med spännande löften."

Att dopa grafen till van Hoves singularitet är en utmanande uppgift i sig, eftersom det kräver överföring av över 100 biljoner (10 ¹⁴ ) elektroner per cm ² på grafenskiktet. Dopningen av grafen kan uppnås genom att deponera andra atomarter ovanpå det, som donerar några av sina elektroner till den.

En alternativ metod för att dopa grafen, känd som interkalering, innebär att dopningsmedel hamnar mellan grafen och dess bärande substrat. Under det senaste decenniet, denna teknik har visat sig vara mycket användbar för att ställa in materialets elektroniska egenskaper.

Vanligtvis, även när deponerings- och interkaleringsmetoder kombineras, bärardensiteten för grafen är svår att öka till ett godtyckligt värde. Detta beror främst på att avgiftsöverföringen så småningom kommer att mättas, förhindrar att det dopas över en viss nivå.

"Nyligen, vi upptäckte att inblandning av vissa sällsynta jordartsmetaller, på grund av deras enorma dopningseffektivitet, är redan tillräckligt för att fästa grafen vid sin van Hove-singularitet, " sa Rosenzweig. "I så fall, ytan av grafen är fortfarande fri att uppta ytterligare dopämnen. Med utgångspunkt från van Hove-scenariot med ytterbium-interkalerad grafen, genom att deponera kaliumatomer ovanpå, vi kunde alltså öka bärardensiteten med ytterligare en faktor på 1,5, går långt bortom singularitetsnivån."

I sina experiment, forskarna använde ytterbiuminterkalation och kaliumadsorptionsmetoder. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att dopa ett lager av grafen placerat på ett halvledande kiselkarbid (SiC) substrat bortom van Hoves singularitet, nå en laddningsbärartäthet på 5,5 x 10 ¹⁴ centimeter ^-2 .

"Du kan jämföra den strategi vi använde med en situation i det dagliga livet där ett skrymmande föremål måste bäras upp för trappan till översta våningen (i vårt fall, bortom van Hove-singulariteten), Rosenzweig förklarade. "Detta kan bara bli möjligt genom att samtidigt trycka underifrån (dvs. ytterbiuminterkalering) och dra från toppen (dvs. kaliumadsorption)."

Studien utförd av Rosenzweig och hans kollegor bevisar att det faktiskt är möjligt att dopa grafen utöver dess van Hove-singularitet i en experimentell miljö. Forskarna undersökte deras grafensystem med en teknik som kallas vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi, i tester utförda vid BESSY II synkrotron, Helmholtz-Zentrum Berlin. Denna metod möjliggör direkt visualisering av energibandstrukturen hos grafen och dess utveckling genom dopning.

"Möjligheten av överdoping var tidigare långt ifrån klar, eftersom systemet först fästs till singularitetsnivån och upptar ett stort antal laddningsbärare, " sa Rosenzweig. "Praktiskt sett, genom att driva dopningen av grafen till nya nivåer, vår studie öppnar också upp ett nytt och outforskat landskap i fasdiagrammet för detta tvådimensionella prototypmaterial. Som sådan, vi hoppas att vårt arbete kommer att bidra till att förstärka strävan efter korrelerade grundtillstånd i monolagergrafen som definitivt skulle vara av intresse inom olika delområden inom fysiken."

I framtiden, de fynd som Rosenzweig och hans kollegor samlat in kan öppna upp för nya spännande möjligheter för studier av exotiska tillstånd av materia i grafen som är dopat bortom sin van Hove-singularitet. Dessutom, denna senaste studie kan förbättra den nuvarande förståelsen av de starka icke-lokala många kroppsinteraktionerna i van Hove-dopad grafen som har visat sig ha betydande skeveffekter på dess energinivåer. Forskarna visade att sådana effekter fortfarande finns i den överdopade regimen och att de blir allt mer när grafen närmar sig van Hoves singularitet. Data de samlade in skulle därmed också kunna inspirera till utvecklingen av nya teoretiska modeller som sträcker sig bortom konventionell Fermi-vätsketeori.

"Nu när vi rutinmässigt kan justera dopingnivån i experiment runt van Hove-nivån, vi letar efter någon av de olika exotiska faserna som förutsägs av teorin, " avslutade Rosenzweig. "Att skjuta efter stjärnorna, Att förverkliga okonventionell supraledning i ett epitaxiellt grafenmonoskikt skulle naturligtvis vara en banbrytande upptäckt som en dag kan leda till tekniska tillämpningar. Hur som helst, Spännande tider väntar för van-Hove-dopad grafen."

© 2020 Science X Network