Grafen gibi iki boyutlu malzemelerin elektronik özelliklerini inceleyin: Bilim adamlarının yeni bir numarası var!
Kılavuz
Grafen, mükemmel elektriksel, termal ve mukavemet özelliklerine sahip yeni bir malzemedir. Elektronik özelliklerini daha fazla incelemek için, Kore Karmaşık Sistemlerin Teorik Fiziği Merkezi'nden (PCS) ve Kore Standartlar ve Bilimler Enstitüsü'nden (KRISS) araştırmacılar, grafenin elektronik yapısını modeller kullanarak açıklamak için yeni bir spektroskopi platformu kullandılar. "Nano Letters" (Nano Letters) dergisinde yayınlanan bu araştırma, gelecekte iki boyutlu malzemelerin elektronik yapısının kararlı ve doğru kuantum ölçümlerini teşvik etmek için elverişlidir.
İki boyutlu malzemeler
Son zamanlarda, akademi ve endüstride iki boyutlu malzemelere olan ilgi katlanarak arttı. Bu malzemeler son derece ince tabakalardan oluşur ve geleneksel üç boyutlu malzemelere göre farklı fiziksel özelliklere sahiptir.
Ayrıca, farklı iki boyutlu malzemeler üst üste istiflendiğinde, yeni elektriksel, optik ve termal özellikler sergilerler.
Grafen
Bu iki boyutlu malzemeler arasında grafen en umut verici ve en çok çalışılanıdır.
Grafen, mükemmel performansa sahip yeni bir malzemedir. Bal peteği yapısındaki karbon atomlarından oluşur ve yalnızca bir atom tabakası kalınlığındadır. Olağandışı yapısı nedeniyle mukavemet, elektriksel iletkenlik ve termal iletkenlik açısından mükemmeldir. "Yeni malzemelerin kralı" olarak bilinir ve tüm endüstri üzerindeki etkisi yıkıcı olabilir.
Grafenin elektronik özellikleri üzerine araştırma
Araştırma ekibi, tek katmanlı ve çift katmanlı grafenin elektronik özelliklerini incelemek için özel bir nano cihaz tasarladı.
İki "altıgen bor nitrür" (hBN) yalıtım katmanı arasına sıkıştırılmış bir grafen katmanından oluşan sandviç benzeri bir yapıdır. Cihazın üst kısmı, temelde yüzlerce grafen katmanından oluşan bir elektrot olarak grafiti kullanıyor. Cihazın alt kısmı bir silikon tabakası ve bir silikon dioksit tabakasından oluşur.
Bilim adamları, grafit ve silikona uygulanan voltajı ayarlayarak, grafenin elektronik özelliklerini yansıtan grafenin iletkenliğindeki değişikliği ölçtüler.
Grafen elektronlarının "Dirac konileri" adı verilen özel bir enerji yapısı vardır. Bir kum saatine benzeyen iki koniden oluşur ve aralarında "Dirac noktası" adı verilen sadece küçük bir kesişme vardır.
Bunu bir kum saati şeklinde alışılmadık bir kokteyl bardağı olarak düşünebilirsiniz ve bardaktaki şarap grafen elektronları gibidir.
Mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta (-273 santigrat derece), elektronlar en düşük enerji durumuna sıkıştırılır, iki koni şeklindeki şarap kadehini aşağıdan yukarıya doldurur ve belirli bir enerji seviyesine ulaşana kadar durur: "Fermi seviyesi".
Silikon ve grafit katmanlarına negatif voltaj uygulamak fincanda şarap içmeye eşdeğerdir; pozitif voltaj uygulamak fincanın ortasına şarap eklemeye eşdeğerdir.
Bilim adamları voltajı ayarlayarak, grafenin elektronik yapısını Fermi seviyesine göre çıkarabilirler.
(Resim değiştirildi: Freepiks)
Özellikle bilim adamları, grafite voltaj uygulandığında, ölçülen iletkenliğin azalacağını ve Fermi seviyesinin, tek katmanlı grafenin iyi bilinen bir özelliği olan Dirac noktasına uyduğunu fark ettiler.
(Solda) Grafenin elektronik özelliklerini ölçmek için nano cihaz yapısı.
(Sağda) Tek katmanlı grafenin farklı voltajlardaki iletkenliği 350 mV civarında düşüyor.
(Resim kaynağı: IBS)
Son olarak, tek katmanlı grafene bir manyetik alan uygulanırsa, elektriksel özellikler tekrar değişir.
Bu şekilde, elektronların enerjisi artık kum saati şeklindeki bir kokteyl bardağı gibi değil, daha yüksek basamaklarda daha yüksek enerjili elektronlar bulunan bir merdiven gibidir. Merdivenin farklı basamakları arasındaki boşluklarda elektron yoktur ve bu elektronlar merdiveni aşağıdan yukarıya doğru doldurur.
İlginç bir şekilde, KRISS bilim adamları, IBS'deki teorik fizikçiler tarafından teknik olarak "Landau seviyesi" olarak adlandırılan 40 adımdan fazla veriyi elde etti ve başarıyla yeniden üretti. Arka plan gürültüsü çok düşük olduğundan, her bir enerji seviyesi açıkça ayırt edilebilir.
Tek katmanlı grafen (a-c) içindedir ve dikey manyetik alanda (1 Tesla) (b-d) değildir. IBS bilim adamları tarafından elde edilen teorik model (c-d), deneysel verilerle (a-b) mükemmel bir şekilde eşleşir.
(Resim kaynağı: IBS)
Tek katmanlı grafene ek olarak, bilim adamları ayrıca çift katmanlı grafenin elektriksel iletkenliğinin teorik ve deneysel verilerle eşleştiğini buldular. Çift katmanlı grafenin iletken davranışı daha da farklıdır ve "enerji boşluğu" olarak adlandırılan daha geniş bir düşüş olacaktır. Elektrik alanı ona dik olduğunda, enerji boşluğu çift katmanlı grafeni daha çok mevcut ayarlanabilir yarı iletken cihazlar gibi yapar.
Bu çalışmanın ortak yazarı MYOUNG Nojoon inanıyor:
"Deneysel ölçümü yeniden oluşturmak için sezgisel bir model kullanıyoruz ve neden tek katmanlı ve çift katmanlı grafenin bu enerji formlarına sahip olduğuna dair teorik bir açıklamaya sahibiz. Bu model, voltaj ve enerjinin spektral ölçümü için bir ölçüm aracı sağlıyor ve buna ad verileceğine inanıyoruz. Grafenin elektronik özelliklerini daha fazla incelemek. "
Referans
1 Suyong Jung, Nojoon Myoung, Jaesung Park, Tae Young Jeong, Hakseong Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Dong Han Ha, Chanyong Hwang, Hee Chul Park. Tek Katmanlı ve İki Katmanlı Grafenin Elektronik Yapılarının Altıgen Bor Nitrür Tünel Açma Bariyeri ile Doğrudan Problanması Nano Mektupları, 2017; 17 (1): 206 DOI: 10.1021 / acs.nanolett.6b03821
[2] https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=14235
Daha ileri teknolojiler ve yenilikçi ürünler için lütfen WeChat herkese açık hesabını takip edin: IntelligentThings veya yazarın kişisel WeChat ile iletişime geçin: JohnZh1984
