Una scoperta accidentale nel laboratorio di un fisico dell'Università della California, Riverside fornisce un percorso unico per la messa a punto delle proprietà elettriche del grafene, materiale elastico più sottile della natura. Questa strada è molto promettente per sostituire il silicio con il grafene nell'industria dei microchip.

I ricercatori hanno scoperto che impilando tre strati di grafene, come frittelle, modifica notevolmente le proprietà elettriche del materiale. Quando hanno fabbricato il grafene a tre strati in laboratorio e ne hanno misurato la conduttanza, hanno trovato, con loro sorpresa, che, a seconda di come gli strati erano impilati, alcuni dei dispositivi di grafene a tre strati erano conduttivi mentre altri erano isolanti.

"Quello in cui ci siamo imbattuti è una 'manopola' semplice e conveniente per regolare le proprietà elettriche dei fogli di grafene, " ha detto Jeanie Lau, professore associato di fisica e astronomia, il cui laboratorio ha fatto la scoperta fortuita.

I risultati dello studio sono apparsi online il 25 settembre in Fisica della natura .

Il grafene è un foglio spesso un atomo di atomi di carbonio disposti in anelli esagonali. Con eccellenti proprietà del materiale, come l'elevata capacità di trasporto di corrente e la conduttività termica, questo "materiale meraviglioso" è ideale per la creazione di componenti per circuiti a semiconduttori e computer.

A causa della struttura planare e simile a un filo di pollo del grafene, i suoi fogli si prestano bene all'impilamento in quello che viene chiamato 'impilamento di Bernal, ' la moda di impilamento dei fogli di grafene.

In un doppio strato impilato Bernal, un angolo degli esagoni del secondo foglio si trova sopra il centro degli esagoni del foglio inferiore. In Bernal-stacked trilayer (ABA), il foglio superiore (terzo) è esattamente sopra il foglio più basso. In tristrato a strati romboedrici (ABC), il foglio superiore è spostato della distanza di un atomo, in modo che anche il foglio superiore (terzo) e il foglio inferiore formino un impilamento Bernal.

"La forma più stabile di grafene a tre strati è l'ABA, che si comporta come un metallo, " ha spiegato Lau. "Incredibilmente, se spostiamo semplicemente l'intero strato più in alto della distanza di un singolo atomo, il tristrato – ora con impilamento ABC o romboedrico – diventa isolante. Perché questo accada non è ancora chiaro. Potrebbe essere indotto da interazioni elettroniche. Attendiamo con impazienza una spiegazione dai teorici!"

Il suo laboratorio ha utilizzato la spettroscopia Raman per esaminare gli ordini di impilamento dei dispositivi al grafene. Successivamente il laboratorio prevede di indagare sulla natura dello stato isolante nel grafene impilato ABC. In questo tipo di grafene impilato, hanno anche in programma di studiare il band gap - una gamma di energia, fondamentale per le applicazioni digitali, in cui non possono esistere elettroni.

"La presenza del divario nel grafene impilato ABC che si presenta, noi crediamo, da interazioni elettroniche potenziate è interessante poiché non è previsto da calcoli teorici, " Ha detto Lau. "Comprendere questo divario è particolarmente importante per la grande sfida dell'ingegneria del gap di banda nell'elettronica del grafene".

Oltre al grafene, Lau studia nanofili e nanotubi di carbonio. La sua ricerca ha aiutato i fisici ad acquisire una comprensione fondamentale di come si comportano gli atomi e gli elettroni quando sono governati dalla meccanica quantistica. Il suo laboratorio studia nuove proprietà elettriche che derivano dal confinamento quantistico di atomi e cariche in sistemi su scala nanometrica. Il suo gruppo di ricerca ha dimostrato che il grafene può agire come un tavolo da biliardo su scala atomica, con cariche elettriche che fungono da palle da biliardo.

I suoi altri interessi di ricerca includono la superconduttività, gestione termica e trasporto elettronico in nanostrutture, e ingegnerizzazione di nuove classi di dispositivi su scala nanometrica.

Una componente educativa dello sforzo di ricerca di Lau è il coinvolgimento attivo delle scuole superiori, studente universitario, e dottorandi, soprattutto minoranze e donne, nella sua ricerca all'avanguardia, sfruttando la diversità etnica della popolazione studentesca dell'UCR e delle comunità locali. È membro fondatore della facoltà dell'UCR Undergraduate Research Journal. Ha anche organizzato un gruppo pranzo "Women in Physics" che fornisce una piattaforma amichevole per le studentesse, postdoc e docenti di interagire.

Dopo aver conseguito la laurea in fisica presso l'Università di Chicago nel 1994, Lau ha proseguito alla Harvard University da dove ha conseguito il master e il dottorato in fisica nel 1997 e nel 2001, rispettivamente. È entrata a far parte dell'UCR nel 2004, dopo un incarico come ricercatore associato presso il Laboratorio Hewlett-Packard.