L'impilamento di fogli di grafene crea regioni in cui l'allineamento moiré è di tipo AA (tutti gli atomi hanno vicini nello strato sottostante), AB (solo gli atomi A hanno vicini) o BA (solo gli atomi B hanno vicini). Nella figura, Le regioni AA sono blu-bianche, mentre le regioni AB e BA sono rosse e gialle, rispettivamente. Credito:per gentile concessione di Phillip First
I ricercatori hanno compiuto un ulteriore passo avanti verso la comprensione delle proprietà uniche e spesso inaspettate del grafene, un materiale in carbonio bidimensionale che ha suscitato interesse per le sue potenziali applicazioni nelle future generazioni di dispositivi elettronici.
Nell'edizione online anticipata della rivista dell'8 agosto Fisica della natura , ricercatori del Georgia Institute of Technology e del National Institute of Standards and Technology (NIST) descrivono per la prima volta come le orbite degli elettroni sono distribuite spazialmente dai campi magnetici applicati a strati di grafene epitassiale.
Il team di ricerca ha anche scoperto che queste orbite elettroniche possono interagire con il substrato su cui viene coltivato il grafene, creando gap energetici che influenzano il modo in cui le onde degli elettroni si muovono attraverso il materiale multistrato. Questi gap energetici potrebbero avere implicazioni per i progettisti di alcuni dispositivi elettronici a base di grafene.
"Il modello regolare di gap energetici nella superficie del grafene crea regioni in cui il trasporto di elettroni non è consentito, " ha detto Phillip N. Primo, un professore della Georgia Tech School of Physics e uno dei coautori del documento. "Le onde elettroniche dovrebbero aggirare queste regioni, richiedendo nuovi modelli di interferenza delle onde elettroniche. Comprendere tale interferenza sarà importante per i dispositivi di grafene a doppio strato che sono stati proposti, e può essere importante per altri substrati reticolari utilizzati per supportare dispositivi di grafene e grafene".
In un campo magnetico, un elettrone si muove lungo una traiettoria circolare - nota come orbita di ciclotrone - il cui raggio dipende dalle dimensioni del campo magnetico e dall'energia dell'elettrone. Per un campo magnetico costante, è un po' come far rotolare una biglia in una grande ciotola, Prima detto.
"Ad alta energia, il marmo orbita alto nella ciotola, mentre per le energie inferiori, la dimensione dell'orbita è più piccola e più bassa nella ciotola, " ha spiegato. "Le orbite del ciclotrone nel grafene dipendono anche dall'energia dell'elettrone e dal potenziale elettronico locale - corrispondente alla ciotola - ma fino ad ora, le orbite non erano state riprese direttamente."
Posto in un campo magnetico, queste orbite normalmente si spostano lungo linee di potenziale elettrico quasi costante. Ma quando un campione di grafene ha piccole fluttuazioni nel potenziale, questi "stati di deriva" possono rimanere intrappolati in una collina o in una valle nel materiale che ha contorni potenziali chiusi costanti. Tale intrappolamento dei portatori di carica è importante per l'effetto Hall quantistico, in cui la resistenza esattamente quantizzata risulta dalla conduzione di carica esclusivamente attraverso le orbite che saltano lungo i bordi del materiale.
Lo studio si è concentrato su una particolare orbita dell'elettrone:un'orbita a energia zero che è unica per il grafene. Poiché gli elettroni sono onde di materia, l'interferenza all'interno di un materiale influenza il modo in cui la loro energia si riferisce alla velocità dell'onda e le onde riflesse aggiunte a un'onda in arrivo possono combinarsi per produrre un'onda composita più lenta. Gli elettroni che si muovono attraverso l'esclusiva disposizione a "filo di pollo" dei legami carbonio-carbonio nel grafene interferiscono in un modo che lascia la velocità dell'onda la stessa per tutti i livelli di energia.
Oltre a scoprire che gli stati energetici seguono i contorni del potenziale elettrico costante, i ricercatori hanno scoperto aree specifiche sulla superficie del grafene in cui l'energia orbitale degli elettroni cambia da un atomo all'altro. Ciò crea un gap energetico all'interno di zone isolate sulla superficie.
"Esaminando la loro distribuzione sulla superficie per diversi campi magnetici, abbiamo determinato che il gap energetico è dovuto a una sottile interazione con il substrato, che consiste in grafene multistrato cresciuto su un wafer di carburo di silicio, "Prima spiegato.
Nel grafene epitassiale multistrato, il sottoreticolo simmetrico di ogni strato viene leggermente ruotato rispetto al successivo. Negli studi precedenti, i ricercatori hanno scoperto che le rotazioni servivano a disaccoppiare le proprietà elettroniche di ogni strato di grafene.
"I nostri risultati contengono le prime indicazioni di una piccola interazione dipendente dalla posizione tra gli strati, " ha detto David L. Miller, il primo autore dell'articolo e uno studente laureato nel laboratorio di First. "Questa interazione si verifica solo quando la dimensione di un'orbita di ciclotrone - che si riduce all'aumentare del campo magnetico - diventa inferiore alla dimensione delle macchie osservate".
Si ritiene che l'origine dell'interazione dipendente dalla posizione sia il "modello moiré" degli allineamenti atomici tra due strati adiacenti di grafene. In alcune regioni, gli atomi di uno strato giacciono sopra gli atomi dello strato sottostante, mentre in altre regioni nessuno degli atomi si allinea con gli atomi nello strato sottostante. In ancora altre regioni, metà degli atomi ha vicini nel sottostrato, un caso in cui la simmetria degli atomi di carbonio è rotta e il livello di Landau - livello energetico discreto degli elettroni - si divide in due energie diverse.
Sperimentalmente, i ricercatori hanno esaminato un campione di grafene epitassiale cresciuto alla Georgia Tech nel laboratorio del professor Walt de Heer, utilizzando tecniche sviluppate dal suo gruppo di ricerca negli ultimi anni.
Hanno usato la punta di un microscopio a scansione tunnel (STM) su misura per sondare la struttura elettronica su scala atomica del grafene in una tecnica nota come spettroscopia a scansione tunnel. La punta è stata spostata sulla superficie di una sezione di grafene di 100 nanometri quadrati, e i dati spettroscopici sono stati acquisiti ogni 0,4 nanometri.
Le misurazioni sono state effettuate a 4,3 gradi Kelvin per sfruttare il fatto che la risoluzione energetica è proporzionale alla temperatura. Il microscopio a scansione tunnel, progettato e costruito da Joseph Stroscio presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST, usava un magnete superconduttore per fornire i campi magnetici necessari per studiare le orbite.
Secondo Primo, lo studio solleva una serie di domande per la ricerca futura, compreso il modo in cui i gap energetici influenzeranno le proprietà di trasporto degli elettroni, come gli effetti osservati possono avere un impatto sui dispositivi coerenti con il grafene a due strati proposti e se il nuovo fenomeno può essere controllato.
"Questo studio è davvero un trampolino di lancio nel lungo cammino verso la comprensione delle sottigliezze delle interessanti proprietà del grafene, " ha detto. "Questo materiale è diverso da qualsiasi cosa con cui abbiamo lavorato prima in elettronica".
