Utilizzando calcoli di supercomputer su larga scala, i ricercatori hanno analizzato come il posizionamento dei contatti metallici sul grafene modifica le proprietà di trasporto degli elettroni del materiale come fattore della lunghezza della giunzione, larghezza e orientamento. Si ritiene che il lavoro sia il primo studio quantitativo del trasporto di elettroni attraverso giunzioni metallo-grafene per esaminare i modelli precedenti in modo significativo.

Le informazioni sui modi in cui il fissaggio dei contatti metallici influisce sul trasporto degli elettroni nel grafene saranno importanti per gli scienziati che studiano il materiale e per i progettisti che un giorno potrebbero fabbricare dispositivi elettronici dal materiale reticolo di carbonio.

"I dispositivi al grafene dovranno comunicare con il mondo esterno, e ciò significa che dovremo fabbricare contatti per trasportare corrente e dati, " disse Mei-Yin Chou, professore e presidente di dipartimento presso la School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Quando mettono contatti metallici sul grafene per misurare le proprietà di trasporto, ricercatori e progettisti di dispositivi devono sapere che potrebbero non misurare le proprietà intrinseche del grafene incontaminato. Occorre tener conto dell'accoppiamento tra i contatti e il materiale."

Sulla rivista sono state riportate informazioni sugli effetti dei contatti metallici sul grafene Lettere di revisione fisica il 19 febbraio. La ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e ha coinvolto le interazioni con i ricercatori del Centro di ricerca e ingegneria per la ricerca sui materiali (MRSEC) della Georgia Tech, supportato dalla National Science Foundation (NSF).

Utilizzando su larga scala, calcoli dei primi principi eseguiti in due diversi centri di supercalcolatori supportati dalla NSF, il team di ricerca della Georgia Tech - che includeva i borsisti post-dottorato Salvador Barraza-Lopez e Mihajlo Vanevic, e l'assistente professore Markus Kindermann - hanno condotto calcoli dettagliati a livello atomico di contatti in alluminio cresciuti su grafene.

I calcoli hanno studiato due contatti fino a 14 nanometri di distanza, con grafene sospeso tra di loro. Nei loro calcoli, i ricercatori hanno permesso all'alluminio di crescere come farebbe nel mondo reale, poi studiato come il trasferimento di elettroni è stato indotto nell'area circostante i contatti.

"Le persone sono state in grado di elaborare modelli fenomenologici che usano per scoprire quali sono gli effetti con i contatti metallici, "Chou ha spiegato. "I nostri calcoli sono andati un po' più avanti perché abbiamo costruito contatti atomo per atomo. Abbiamo costruito contatti risolti atomisticamente, e così facendo, abbiamo risolto questo problema a livello atomico e abbiamo cercato di fare tutto ciò che è coerente con la meccanica quantistica".

Poiché i metalli hanno tipicamente elettroni in eccesso, il collegamento fisico dei contatti al grafene provoca un trasferimento di carica dal metallo. La carica inizia a essere trasferita non appena i contatti sono costruiti, ma alla fine i due materiali raggiungono l'equilibrio, disse Cho.

Lo studio ha mostrato che il trasferimento di carica ai conduttori e nella sezione indipendente del materiale crea un'asimmetria elettrone-lacuna nella conduttanza. Per lead sufficientemente lunghi, l'effetto crea due minimi di conduttanza alle energie dei punti di Dirac per le regioni sospese e bloccate del grafene, secondo Barraza-Lopez.

"Questi risultati potrebbero essere importanti per la progettazione di futuri dispositivi al grafene, " ha detto. "Gli effetti di bordo e l'impatto della larghezza del nanonastro sono stati studiati in modo significativo, ma gli effetti del trasferimento di carica ai contatti potrebbero essere altrettanto importanti".

I ricercatori hanno modellato l'alluminio, ma credo che i loro risultati si applicheranno ad altri metalli come il rame e l'oro che non formano legami chimici con il grafene. Però, altri metalli come cromo e titanio alterano chimicamente il materiale, quindi gli effetti che hanno sul trasporto degli elettroni possono essere diversi.

Al di là delle nuove informazioni fornite dai calcoli, la ricerca propone inoltre modelli quantitativi che possono essere utilizzati in determinate circostanze per descrivere l'impatto dei contatti.

"I modelli precedenti erano basati su intuizioni fisiche, ma nessuno sapeva veramente quanto fedelmente descrivessero il materiale, " Kindermann ha detto. "Questo è il primo calcolo per dimostrare che questi modelli precedenti si applicano in determinate circostanze per i sistemi che abbiamo studiato".

I dati dello studio potrebbero un giorno aiutare i progettisti di dispositivi a progettare circuiti in grafene aiutandoli a comprendere gli effetti che stanno vedendo.

"Quando modifichiamo il grafene, dobbiamo capire quali cambiamenti si verificano a seguito dell'aggiunta di materiali, " ha aggiunto Chou. "Questa è davvero una ricerca fondamentale per capire questi effetti e per avere una previsione numerica di quello che sta succedendo. Stiamo aiutando a capire la fisica di base del grafene".