Misura delle bande elettroniche del grafene a doppio strato su rutenio, che hanno le caratteristiche del grafene monostrato autoportante. Una di queste caratteristiche è una tipica forma a cono delle bande vicino all'energia di Fermi. L'inserto mostra un calcolo di questi "coni di Dirac" per il confronto. Sullo sfondo è mostrata una rappresentazione schematica della struttura reticolare del grafene.
(PhysOrg.com) -- Controllando la crescita a strati del grafene - una forma relativamente "nuova" di carbonio dello spessore di un solo atomo - i ricercatori del Brookhaven National Laboratory hanno scoperto dettagli intriganti sulle proprietà elettriche e ottiche superiori del materiale. Le loro scoperte potrebbero aiutare a posizionare il grafene come materiale di prossima generazione per i futuri computer, display digitali, e sensori elettronici.
"Il grafene è un materiale che ha davvero il potenziale per sostituire il silicio nell'industria elettronica, " ha detto Peter Sutter, uno scienziato dei materiali nel Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven. "È sottile, trasparente, forte, e altamente conduttivo - tutte caratteristiche estremamente attraenti per qualsiasi cosa, dai chip per computer ai touch screen e alle celle solari."
Una delle maggiori sfide che i ricercatori devono affrontare è capire come produrre grafene in grandi quantità. Il metodo più semplice è staccare singoli fogli di grafene dalla grafite, un materiale costituito da molti strati di grafene, con pezzi di nastro adesivo. Ma questo metodo produce solo piccoli, fiocchi frastagliati che non sono utili per la maggior parte delle applicazioni.
A Brookhaven, Il gruppo di Sutter coltiva grafene su un substrato metallico, una tecnica in grado di produrre lastre monostrato su aree molto ampie, migliaia di volte più grandi dei pezzi realizzati con il metodo "Scotch tape". Primo, un singolo cristallo di rutenio viene riscaldato a temperature superiori a 1000 gradi Celsius esponendolo a un gas ricco di carbonio. Ad alte temperature, gli atomi di carbonio sono in grado di spremere negli spazi all'interno del cristallo metallico, simile all'acqua che viene assorbita da una spugna. Mentre il cristallo si raffredda lentamente, questi atomi di carbonio vengono espulsi sulla superficie del metallo, dove formano singoli strati di grafene. Il numero di strati formati può essere controllato dalla quantità di atomi di carbonio inizialmente assorbiti nel cristallo di rutenio.
"Uno degli aspetti unici di questo metodo è che possiamo controllare lo spessore del materiale, crescita del grafene strato dopo strato, Sutter ha detto. "Questo ci ha permesso di vedere come la struttura e le proprietà elettroniche del materiale cambiano quando singoli strati di carbonio atomico vengono aggiunti al substrato uno alla volta".
Poiché il gruppo di ricerca voleva determinare come il substrato metallico influenzi le proprietà del grafene, era importante monitorare le caratteristiche del materiale stratificato man mano che cresceva, una capacità fornita da uno speciale microscopio presso la linea di luce NSLS U5.
"Primo, abbiamo potuto osservare come cresceva il materiale, poi, senza spostarlo dal sistema, siamo stati in grado di accendere il fascio di fotoni e determinarne la struttura elettronica, " Stutter ha detto. "È estremamente prezioso fare tutto nello stesso ambiente".
Per ottenere misurazioni per il materiale con diversi numeri di fogli di grafene, il gruppo ha utilizzato la spettroscopia fotoelettronica risolta in micro-angolo, una tecnica che consente ai ricercatori di studiare la struttura elettronica di regioni di interesse molto piccole.
Le loro scoperte, pubblicato l'8 luglio edizione 2009 di Nano lettere , erano sorprendenti.
"Abbiamo scoperto che se un singolo foglio di grafene viene coltivato su un metallo come il rutenio, il metallo si lega molto fortemente agli atomi di carbonio e sconvolge le proprietà caratteristiche che normalmente si trovano nel grafene isolato, " ha detto Sutter. "Ma quelle proprietà riemergono negli strati successivi cresciuti sul substrato".
In altre parole, il primo strato di grafene cresciuto su rutenio sazia il substrato metallico, permettendo al resto degli strati di recuperare le loro normali proprietà.
"Come risultato di questo processo di crescita, una pila a due strati si comporta come un monostrato isolato di grafene e una pila a tre strati si comporta come un doppio strato isolato, " ha detto Sutter.
I risultati del gruppo, che include anche i ricercatori di Brookhaven Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, ed Eli Sutter, pone le basi per la futura produzione di grafene per tecnologie avanzate, e aiuta i ricercatori a capire come i metalli, ad esempio nei contatti dei dispositivi, modificano le proprietà del grafene.
