"Sihirli açı": Grafen üst kafesi hem yalıtkan hem de süper iletken olsun!
Kılavuz
Son zamanlarda, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Harvard Üniversitesi'ndeki fizikçiler, grafenin daha harika elektronik özelliklere sahip olabileceğini keşfettiler. Grafeni bir süper iletken veya yalıtkan olarak davranacak şekilde ayarlarlar.
arka fon
2004'te, İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'nden Profesör Andre Heim ve Profesör Konstantin Novoselov, grafit pullarından grafeni pul pul döktü. Altıgen petek yapıda tek bir karbon atomu tabakasından oluşan bu tür levha, bilim adamlarının dikkatini hızla çekmiştir. Sadece dünyada bulunan en ince malzeme değil, aynı zamanda çok hafif. Ayrıca esnekliği de oldukça yüksektir, mukavemeti çeliğe göre yüz kat daha fazladır ve iletkenliği bakırdan daha iyidir.
Grafen, "siyah altın" ve "yeni malzemelerin kralı" ününe sahiptir.Bazı bilim adamları, grafenin yıkıcı bir yeni teknoloji ve dünyayı kasıp kavuran yeni bir sanayi devrimi başlatmasının muhtemel olduğunu tahmin etmektedir. Günümüzde grafen, esnek elektronikler, yüksek verimli transistörler, sensörler, yeni malzemeler, piller, süper kapasitörler, yarı iletken üretimi, yeni enerji, iletişim, terahertz teknolojisi, tıbbi bakım gibi birçok bilimsel ve teknolojik alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yazar, birçok bilimsel ve teknolojik alana entegre edilmiş, oldukça etkili bir ileri teknoloji inovasyon teknolojisi olarak, grafenin ilgili bilimsel araştırma sonuçlarını önceki birçok makalede tanıttı.
(Fotoğraf kredisi: Tatiana Shepeleva / Shutterstock)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Massachusetts Institute of Technology ve Harvard Üniversitesi'ndeki fizikçiler, sihirli malzemenin (grafenin) daha harika elektronik özellikler sergilediğini keşfettiler. Yakın zamanda Nature dergisinde yayınlanan iki makalede ekip, grafeni son derece farklı iki elektriksel özellik sergileyecek şekilde ayarlayabileceklerini bildirdi: birincisi, elektronların hiç akamadığı bir yalıtkan olarak; ikincisi, bir süper iletken olarak, Elektronlar içinde sıfır dirençle akabilir.
(Resim kaynağı: MIT)
Bu araştırma, Gordon ve Betty Moore Vakfı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.
teknoloji
Bu ekip de dahil olmak üzere önceki araştırmacılar, malzemeleri diğer süper iletken metallerle temas ettirerek grafen süperiletkenlerini sentezlediler (bu organizasyon yapısı, grafenin diğer süperiletkenlerin davranışını miras almasına izin verir). Ekip bu kez grafeni kendi başına süper iletken hale getirmenin bir yolunu keşfetti ve süperiletkenliğin bu saf karbon bazlı malzemenin doğal özelliği olduğunu gösterdi.
Fizikçiler, bu etkiyi elde etmek için üst üste dizilmiş iki grafen tabakasından oluşan bir "üst örgü" yarattılar. İki grafen levha tabakası sadece üst üste istiflenmekle kalmaz, aynı zamanda hafifçe döndürülür ve aralarında 1,1 derecelik bir "sihirli açı" vardır. Sonuç olarak, yukarıdaki altıgen bal peteği deseni hafifçe kaydırılarak "hareli" benzeri bir etki yaratılır.
(Resim kaynağı: MIT)
Bu, grafen tabakasındaki elektronlar arasındaki sihirli "güçlü korelasyon etkileşimini" tetikleyecektir. Başka herhangi bir katmanlı yapıda, grafen ve komşu katmanları bağımsız kalacak ve elektronik anlamda veya başka yönlerden çok az etkileşim olacaktır.
MIT'de fizik profesörü olan Pablo Jarillo-Herrero liderliğindeki ekip, "sihirli bir açıyla" döndürüldüğünde, iki grafen katmanının, garip bir malzemeye benzer şekilde iletken olmadığını keşfetti: Mott yalıtkanı. Daha sonra, araştırmacılar voltaj uyguladılar ve grafen süper örgüsüne az miktarda elektron eklediler.Belirli bir miktara ulaştıktan sonra, elektronların ilk yalıtım durumundan kurtulduklarını ve tıpkı bir süper iletkenden geçerken olduğu gibi sıfır direnç durumunda aktıklarını buldular. .
Malzemelerin iletkenliklerinden bahsetmişken, önce önemli bir fiziksel teoriyi tanıtacağım: Enerji bandı teorisi. Elektronların kristallerdeki durumunu ve hareketini tartışmak için önemli bir yaklaşık teoridir (metallerin kristalleri, yalıtkanlar ve yarı iletkenler dahil).
Basitçe ifade etmek gerekirse, enerji bandı, kristaldeki elektronların sahip olabileceği enerji aralığını ifade eder; Canlı bir şekilde, fizikte, elektronların çeşitli enerji seviyelerini ve belirli bir enerji aralığı içindeki enerjiyi göstermek için genellikle yatay çizgiler kullanabiliriz. Birçok enerji seviyesi (birbirine yakın) enerji bandı adı verilen bir bant oluşturur.
Çeşitli kristal bantların sayısı ve genişliği farklıdır. İki bitişik enerji bandı arasındaki enerji aralığına "enerji aralığı" veya "yasak bant" denir Kristaldeki elektronlar bu enerji aralığında olamaz. Tamamen elektronlar tarafından işgal edilen enerji bandına "tam bant" denir ve tam banttaki elektronlar elektrik iletmez; tamamen boş olan banda "boş bant", kısmen dolu olan banda "iletim bandı" denir. İletim bandındaki elektronlar elektriği iletebilir ve değerlik elektronlarının işgal ettiği enerji bandına "değerlik bandı" denir. Değerlik bandından daha düşük enerjili enerji bantları genellikle tam bantlardır ve değerlik bantları tam bantlar veya iletim bantları olabilir.
(Resim kaynağı: referans [2])
Genel olarak, genel metal malzemelerin iletim bandı ile değerlik bandı arasındaki "enerji boşluğu" çok küçüktür veya hatta örtüşmektedir.Oda sıcaklığında, elektronlar kolayca enerji kazanabilir ve elektrik iletmek için iletim bandına atlayabilir. Yasaklanmış bant genişliğinin boyutu, malzemenin yarı iletken özelliklere veya yalıtkan özelliklere sahip olup olmadığını belirler. Yarı iletkenlerin yasak bant genişliği küçüktür.Uygun enerji uyarımı koşulları sağlandığı sürece (örneğin: ısıtma, ışık, elektromanyetik alan uyarımı), elektronlar, malzemenin iletkenliğe sahip olması için iletim bandına geçmeleri için uyarılabilir. Bununla birlikte, yalıtkanın yasak bant genişliği çok büyüktür, daha yüksek sıcaklıklarda bile, yine de zayıf bir elektrik iletkenidir.
Bununla birlikte, Mott izolatörü büyülü bir malzemedir. Enerji bandı yapısı açısından elektrik iletebilir ancak gerçek ölçümde iletken olmayan bir yalıtkandır. Özellikle, enerji bantları yarı doludur, ancak güçlü elektrostatik etkileşimler nedeniyle (aynı yüklerin itilmesi gibi) bu malzeme elektriği iletmez. Temelde, bu yarı dolu enerji bandı iki küçük, neredeyse düz enerji bandına bölünür.Elektronlar bunlardan birini tamamen işgal ederken diğeri boştur, bu yüzden bir yalıtkan gibi davranır.
Jarillo-Herrero, "Bu, tüm elektronların bloke olacağı anlamına gelir, bu nedenle bir yalıtıcıdır, çünkü elektronlar arasındaki güçlü itme, elektrik akımının oluşumunu engeller. Mott yalıtkanı neden bu kadar önemlidir? , Çoğu yüksek sıcaklık süperiletkeninin ana bileşeni Mott yalıtkanıdır. "
Başka bir deyişle, bilim adamları, model izolatörlerin özelliklerini nispeten yüksek sıcaklıklarda (100 Kelvin) süper iletkenlere dönüştürmek için manipüle etmenin bir yolunu buldular. Bu amaca ulaşmak için, malzemeye kimyasal olarak oksijen "katılırlar" Bu atom, elektronları çekerek Mott yalıtkanını terk eder ve kalan elektronların akması için daha fazla boşluk bırakır. Yeterli oksijen eklendiğinde, yalıtkan bir süper iletken haline gelir. Jarillo-Herrero, bu dönüşümün tam olarak nasıl gerçekleştiğinin 30 yıldır bir muamma olduğunu söyledi.
Jarillo-Herrero, "Bu sorun yaklaşık 30 yıldır var ve çözülmedi. Bu yüksek sıcaklık süperiletkenleri her zaman incelendi ve birçok ilginç performansları var. Ancak, bunları nasıl açıklayacağımızı hala bilmiyoruz."
Jarillo-Herrero ve meslektaşları, bu alışılmadık fiziksel fenomeni incelemek için daha basit bir platform buldular. Grafenin elektronik özelliklerini inceleme sürecinde, basit istifleme için grafen levhalar kullanmaya başlayan ekip, önce grafitten tek katmanlı bir grafen levhayı soydu, ardından viskoz bir polimer ve yalıtım malzemesi bor nitrür ile kaplı bir taşıyıcıdan çıkardı. Cam slayt üzerinde, iki üst kısım oluşturmak için slaydın yarısını dikkatlice kaldırın.
Sonra, cam slaydı çok hafifçe döndürdüler, grafen levhanın diğer yarısını aldılar ve grafen levhanın ilk yarısına yapıştırdılar. Bu şekilde, grafenin orijinal bal peteği kristal yapısından farklı, ofset desenli bir üst örgü oluşturdular.
Ekip bu deneyi tekrarladı ve farklı dönüş açılarına (0 ile 3 derece arasında), yani grafen üst yüzeylere sahip birkaç "cihaz" yarattı. Her cihaza elektrotlar bağlarlar, içinden geçen akımı ölçerler ve ardından cihazdan geçen akım göz önüne alındığında cihazın direncini hesaplarlar.
Jarillo-Herrero, "Dönme açınız 0,2 derece saparsa, tüm bu fiziksel olaylar kaybolacak ve süper iletkenlik veya Mott izolatörleri görünmeyecek. Bu nedenle, açıyı çok doğru bir şekilde hizalamanız gerekir." 1,1 derecede (bu Bu dönme açısı "sihirli açı" olarak kabul edildiğinde, araştırmacılar grafen üst kafesinin elektronik olarak düz bir şerit yapısına ve Mott izolatörlerine benzer olduğunu buldular. Mott izolatöründe, tüm elektronlar momentumlarına bakılmaksızın aynı enerjiyi taşır.
Jarillo-Herrero, "Örneğin, bir arabanın momentumu, kütlesinin ve hızının ürünüdür. Saatte 30 mil giderseniz, belirli bir kinetik enerjiniz olur. Saatte 60 mil sürerseniz, arabanızın sahip olduğu enerji Daha yüksek olacak, ancak çarparsanız, daha büyük nesneleri deforme edecek. Bu, sürüş hızınız 30, 60 veya 100 mil / saat olursa olsun, hepsinin aynı enerjiye sahip olacağı anlamına geliyor. "
Elektronlar için bu, yarı dolu bir enerji seviyesini işgal etseler bile, bir elektronun diğer elektronlardan daha fazla enerjiye sahip olamayacağı ve bu enerjinin enerji bandında hareket etmesine izin verdiği anlamına gelir. Bu nedenle, bu yarı dolu bant yapısı, bir iletken gibi elektriği iletmek zorunda olmasına rağmen, tam tersine, izolatör veya daha doğrusu Mott izolatörleri gibi davranırlar.
Bu takıma bir fikir verdi: Tıpkı bilim adamlarının Mott izolatörlerine oksijen katarak onları süper iletkenler haline getirmesi gibi, bu Mott izolatör üst yapılarına elektron eklerlerse ne olur? Buna bağlı olarak, grafen de süper iletken özelliklere sahip olacak mı?
Bunu anlamak için, "sihirli açı" grafen üst kafesine zayıf bir tetikleme gerilimi uyguladılar ve yapıya az miktarda elektron eklediler. Sonuç olarak grafende, tek tek elektronlar diğer elektronlarla birleştirilerek daha önce ulaşamadıkları yerlere akmalarına izin verir. Araştırmacılar, baştan sona malzemelerin direncini ölçmeye devam ettiler ve belirli miktarda küçük miktarlarda elektron eklediklerinde, akımın akışının, tıpkı süper iletkenler gibi enerjiyi dağıtmayacağını keşfettiler.
değer
Jarillo-Herrero, "Akımın enerji kaybı olmadan serbestçe akmasına izin verebilirsiniz ve bu aynı zamanda grafenin bir süper iletken haline gelebileceği anlamına da geliyor." Dedi.
Belki daha da önemlisi, araştırmacıların grafeni bir yalıtkan veya süper iletken olacak şekilde ve ikisi arasındaki herhangi bir aşamaya ayarlayabileceğini ve tüm bu farklı özellikleri tek bir cihazda gösterebileceğini söyledi. . Diğer yöntemlerde, bilim adamları, her biri yalnızca bir elektronik faz sergileyebilen yüzlerce farklı kristali yetiştirmeli ve manipüle etmelidir.
Jarillo-Herrero, "Genellikle, her aşamayı keşfetmek için farklı türde malzemeler geliştirmeniz gerekir. Bu hedefe yerinde, tek kullanımlık ve tek saf karbon ekipmanla ulaştık. Tek bir ekipman kullanabiliriz. Çin, yüzlerce cihaz yaratmak yerine tüm bu fiziksel olayları keşfetmek için elektriksel yöntemler kullanıyor. Bu yöntem çok basit. "
Jarillo-Herrero, "Artık grafeni geleneksel olmayan süperiletkenliği incelemek için yeni bir platform olarak kullanabiliriz. Ayrıca grafenden süper iletken bir transistör yapılabileceğini de hayal edebiliyoruz. Durumlar arasında geçiş yaparak geçiş yapın. Bu, kuantum cihazları için birçok olasılığın önünü açar. "
Anahtar kelime
Grafen, süper iletken, elektron, kuantum, transistör
Referans
[1]
2 Van Zeghbroeck, B., 2011 (2011). "Bölüm 2.3: Enerji Bantları". Yarı İletken Cihazların Prensipleri. Elektrik, Bilgisayar, Enerji Mühendisliği Bölümü, Univ. Of Colorado at Boulder. Erişim tarihi 13 Mart 2017.
3 Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras ve Pablo Jarillo-Herrero. Sihirli açılı grafen üst yüzeylerinde alışılmadık süper iletkenlik Doğa, 2018 DOI: 10.1038 / nature26160
[4] Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero ve diğerleri. Sihirli açılı grafen üst yüzeylerinde yarı doldurmada ilişkili izolatör davranışı Nature 2018 DOI: 10.1038 / nature26154
