Quando un foglio di grafene si trova inclinato sopra un foglio di nitruro di boro, emerge un modello esagonale secondario che determina come gli elettroni fluiscono attraverso il campione. Credito:Brian LeRoy
(PhysOrg.com) -- I fisici dell'Università dell'Arizona stanno facendo scoperte che potrebbero far progredire la tecnologia dei circuiti elettronici.
Grafite, più comunemente noto come mina di matita, potrebbe diventare la prossima grande novità nella ricerca di un'elettronica più piccola e meno affamata di energia.
Simile al filo di pollo su scala nanometrica, il grafene – fogli singoli di grafite – è spesso solo un atomo, rendendolo il materiale più sottile al mondo. Due milioni di fogli di grafene impilati non sarebbero spessi come una carta di credito.
La parte difficile i fisici devono ancora capire come controllare il flusso di elettroni attraverso il materiale, un presupposto necessario per metterlo in funzione in qualsiasi tipo di circuito elettronico. Il grafene si comporta in modo molto diverso dal silicio, il materiale attualmente utilizzato nei semiconduttori.
L'anno scorso, un gruppo di ricerca guidato da fisici dell'UA ha superato il primo ostacolo identificando il nitruro di boro, un materiale strutturalmente identico ma non conduttivo, come superficie di montaggio adatta per fogli di grafene a singolo atomo. Il team ha anche dimostrato che oltre a fornire supporto meccanico, il nitruro di boro migliora le proprietà elettroniche del grafene attenuando le fluttuazioni delle cariche elettroniche.
Ora il team ha scoperto che il nitruro di boro influenza anche il modo in cui gli elettroni viaggiano attraverso il grafene. Pubblicato in Fisica della natura , i risultati aprono nuovi modi di controllare il flusso di elettroni attraverso il grafene.
"Se vuoi fare un transistor, ad esempio, devi essere in grado di fermare il flusso di elettroni, " ha detto Brian LeRoy, un assistente professore nel dipartimento di fisica dell'Università dell'Arizona. "Ma nel grafene, gli elettroni continuano a funzionare. Difficile fermarli".
LeRoy ha affermato che gli effetti relativistici della meccanica quantistica che entrano in gioco su scala atomica fanno sì che gli elettroni si comportino in modi che vanno contro le nostre esperienze quotidiane di come dovrebbero comportarsi gli oggetti.
Prendi le palline da tennis, Per esempio.
I membri del laboratorio Matthew Yankowitz, Daniel Cormode e Brian LeRoy (da sinistra a destra) utilizzano un microscopio a scansione a effetto tunnel per rendere visibili le strutture atomiche dei fogli di grafene. Credito:Beatriz Verdugo/UANews
"Normalmente, quando lanci una pallina da tennis contro un muro, si riprende, " Ha detto LeRoy. "Ora pensa agli elettroni come palle da tennis. Con gli effetti della meccanica quantistica, c'è la possibilità che la palla passi attraverso e finisca dall'altra parte. Nel grafene, la palla passa il 100% delle volte".
Questo strano comportamento rende difficile controllare dove vanno gli elettroni nel grafene. Però, come ha scoperto ora il gruppo di LeRoy, montare il grafene sul nitruro di boro impedisce ad alcuni elettroni di passare dall'altra parte, un primo passo verso un flusso di elettroni più controllato.
Il gruppo ha raggiunto questa impresa posizionando fogli di grafene su nitruro di boro a determinati angoli, con il risultato che le strutture esagonali in entrambi i materiali si sovrappongono in modo tale che secondario, vengono creati modelli esagonali più grandi. I ricercatori chiamano questa struttura un superreticolo.
Se l'angolo è giusto, hanno trovato, si raggiunge un punto in cui quasi nessun elettrone passa.
"Si potrebbe dire che abbiamo creato buchi nel muro, "LeRoy ha detto, "e appena il muro ha dei buchi, scopriamo che alcune palline da tennis non passano più. È l'opposto di quello che ti aspetteresti. Questo ti mostra quanto sia strano. È tutto dovuto a quegli effetti quantistici relativistici".
La scoperta avvicina un po' la tecnologia al fatto che un giorno sarà in grado di controllare effettivamente il flusso di elettroni attraverso il grafene, hanno detto gli autori dell'articolo.
"L'effetto dipende dalla dimensione del motivo esagonale risultante dai fogli sovrapposti, " ha spiegato Matthew Yankowitz, uno studente laureato del primo anno nel laboratorio di LeRoy e l'autore principale dello studio.
Il modello, Lui ha spiegato, crea una modulazione periodica del potenziale:immagina una palla che rotola su un cartone di uova.
"È un effetto puramente elettronico determinato dalla struttura dei due materiali e dal modo in cui si trovano uno sopra l'altro, "Ha detto Yankowitz. "È simile al motivo Moiré che vedi quando qualcuno indossa una maglietta a righe in TV".
Al momento, i ricercatori non sono ancora in grado di controllare come il grafene e il nitruro di boro finiscono per orientarsi l'uno rispetto all'altro quando combinano i due materiali. Perciò, fanno molti campioni e controllano la struttura di ciascuno al microscopio elettronico.
"Con il nostro microscopio a scansione a effetto tunnel, possiamo ottenere un'immagine di ogni superreticolo e misurarne le dimensioni, " ha detto Yankowitz. "Facciamo una foto e vediamo come appare il modello. Se il motivo esagonale è troppo piccolo, i campioni non vanno bene e li buttiamo fuori".
Yankowitz ha affermato che dal 10 al 20 percento dei campioni ha mostrato l'effetto desiderato.
Se un giorno sarà possibile automatizzare questo processo, la microelettronica basata sul grafene potrebbe essere sulla buona strada per spingerci dall'era del silicio all'era del grafene.
Lo studio di ricerca è una collaborazione tra il laboratorio di LeRoy e i ricercatori del MIT di Cambridge, Messa., l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali a Tsukuba, Giappone e Università di Ginevra, Svizzera. La parte UA del progetto è stata finanziata da sovvenzioni dell'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e della National Science Foundation.
