En internationell forskargrupp ledd av Göttingen universitet har experimentellt visat att elektroner i naturligt förekommande dubbelskiktsgrafen rör sig som partiklar utan någon massa, på samma sätt som ljus färdas. Dessutom har de visat att strömmen kan "slå på" och stängas av, vilket har potential att utveckla små, energieffektiva transistorer – som ljusströmbrytaren i ditt hus men i nanoskala.
Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA, och National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, var också involverade i forskningen. Resultaten publicerades i Nature Communications .
Grafen identifierades 2004 och är ett enda lager av kolatomer. Bland dess många ovanliga egenskaper är grafen känt för sin utomordentligt höga elektriska ledningsförmåga på grund av den höga och konstanta hastigheten hos elektroner som färdas genom detta material. Denna unika funktion har fått forskare att drömma om att använda grafen för mycket snabbare och mer energieffektiva transistorer.
Utmaningen har varit att för att göra en transistor måste materialet kontrolleras för att ha ett mycket isolerande tillstånd utöver dess starkt ledande tillstånd. I grafen kan dock en sådan "switch" i bärarens hastighet inte enkelt uppnås. Faktum är att grafen vanligtvis inte har något isolerande tillstånd, vilket har begränsat grafenens potential för en transistor.
Teamet från Göttingen University har nu funnit att två grafenlager, som finns i den naturligt förekommande formen av dubbellagers grafen, kombinerar det bästa av två världar:en struktur som stöder den otroligt snabba rörelsen hos elektroner som rör sig som ljus som om de inte hade någon massa, förutom ett isolerande tillstånd. Forskarna visade att detta tillstånd kan ändras genom att applicera ett elektriskt fält som appliceras vinkelrätt mot materialet, vilket gör det dubbla grafenet isolerande.
Denna egenskap hos snabbrörliga elektroner hade teoretiskt förutspåtts så tidigt som 2009, men det krävdes avsevärt förbättrad provkvalitet som möjliggjorde mitt material från NIMS och nära samarbete om teori med MIT, innan det var möjligt att identifiera detta experimentellt. Även om dessa experiment utfördes vid kryogena temperaturer – omkring 273° under fryspunkten – visar de potentialen hos dubbelskiktsgrafen för att göra högeffektiva transistorer.
"Vi var redan medvetna om teorin. Men nu har vi genomfört experiment som faktiskt visar den ljusliknande spridningen av elektroner i tvåskiktsgrafen. Det var ett mycket spännande ögonblick för hela teamet", säger professor Thomas Weitz vid Göttingen Universitetets fysikaliska fakultet.
Dr. Anna Seiler, postdoktor och förste författare även vid Göttingen universitet, tillägger, "Vårt arbete är i hög grad ett första steg men ett avgörande. Nästa steg för forskare blir att se om tvåskiktsgrafen verkligen kan förbättra transistorer eller att undersöka potentialen för denna effekt inom andra teknikområden."
Mer information: Anna M. Seiler et al, Probing the tunable multi-cone band structure in Bernal bilayer graphene, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47342-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av universitetet i Göttingen
