(Phys.org) -- I ricercatori hanno osservato per la prima volta il grafene nel 2004 estraendo i fogli di carbonio spessi un singolo atomo dalla grafite sfusa. Mentre le proprietà elettriche e ottiche del grafene hanno dimostrato di avere un potenziale straordinario per molte applicazioni, la creazione di strutture atomicamente precise dal grafene rimane impegnativa. Nel tentativo di migliorare l'usabilità del grafene, gli scienziati hanno cercato un modo per fabbricare grafene artificiale, che potrebbe servire come una struttura utile in cui i dispositivi possono essere facilmente testati prima della loro implementazione con grafene naturale. Ora in un nuovo studio, gli scienziati hanno identificato tutti i principali criteri necessari per realizzare il grafene artificiale, che potrebbe fornire una guida per realizzare sperimentalmente il materiale.

Il team di scienziati, da istituzioni della Repubblica Ceca, Francia, Canada, e gli Stati Uniti, ha pubblicato il suo articolo sulla creazione di grafene artificiale in un recente numero del Nuovo Giornale di Fisica .

"Il concetto accattivante di grafene artificiale è apparso subito dopo la fabbricazione del grafene "reale", ” coautore Lukas Nádvorník dell'Università Carlo e dell'Istituto di Fisica, ASCR, sia a Praga, Repubblica Ceca, detto Phys.org . “Questo concetto suggerisce di sfruttare semiconduttori bidimensionali di alta qualità, che sono oggi regolarmente disponibili, e per fabbricare sulla loro base un nuovo cristallo con un reticolo a nido d'ape creato "artificialmente", tipico del grafene. In altre parole, utilizzare le tecnologie attuali per imitare la natura”.

Sebbene i ricercatori abbiano cercato di fabbricare grafene artificiale negli ultimi anni, nessuno ci è ancora riuscito. Qui, individuando tutti i requisiti più importanti, gli scienziati sperano di cambiarlo.

"Per la prima volta, siamo stati in grado di estrarre tutti i parametri rilevanti per il grafene artificiale e suggerire la loro corretta combinazione, che dovrebbe portare alla realizzazione di successo di questo sistema, ” ha detto il coautore Milan Orlita della Charles University, l'Istituto di Fisica, ASCR, e il Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses di Grenoble, Francia. “Questo è utile per il nostro ulteriore lavoro, ma anche altri gruppi che lavorano in questo campo potrebbero trarne vantaggio. Il nostro lavoro non rappresenta una vera pietra miliare nel grafene artificiale; tuttavia, crediamo che sia stato fatto un passo importante verso la sua fabbricazione”.

I ricercatori hanno aggiunto che la fabbricazione sperimentale di grafene artificiale in futuro sarà impegnativa, ma fattibile.

“Non vediamo alcun ostacolo principale che impedisca la fabbricazione di grafene artificiale, ma tecnologicamente, è una questione piuttosto delicata, ” ha detto il coautore Karel Výborný dell'Istituto di Fisica, ASCR, e l'Università di Buffalo-SUNY a Buffalo, New York. “Bisogna trovare una combinazione adeguata di una serie di parametri fini come la densità della portante, forza del potenziale di modulazione, costante reticolare, ecc. Il nostro lavoro è probabilmente il primo che affronta il problema in modo sistematico e confronta quantitativamente i risultati sperimentali con i criteri formulati teoricamente.

Il grafene artificiale presenta alcuni vantaggi rispetto al grafene naturale, come una struttura cristallina la cui forma può essere variata. Come hanno spiegato i ricercatori, la struttura cristallina del grafene naturale è fissa:è costituita da un perfetto reticolo a nido d'ape con una distanza carbonio-carbonio di 0,142 nanometri. In contrasto, grafene artificiale preparato da multistrati di semiconduttori (ad esempio, mediante litografia a fascio di elettroni) non è limitato da una precisa forma reticolare o da una precisa costante reticolare.

“È anche relativamente facile fabbricare specifici “dispositivi, ' cioè., grafene artificiale modellato in strisce, giunzioni, eccetera., ” ha detto Nádvorník. “Con grafene naturale, è difficile (sebbene non impossibile!) creare strutture atomicamente precise. Si potrebbero testare tali "dispositivi" prima con grafene artificiale e, se si rivelano utili, tentare di riprodurli con grafene naturale”.

Nádvorník ha spiegato che i ricercatori hanno cercato a lungo di creare vari tipi di cristalli artificiali per esplorare la loro meccanica quantistica, ma ciò che rende unico il grafene è il comportamento dei suoi elettroni, chiamati fermioni di Dirac.

“Fabbricazione di superreticoli bidimensionali con costanti reticolari di circa 100 nanometri (meno di un centesimo dello spessore di un capello umano), di cui il grafene artificiale è un esempio, risale agli anni '90, " Egli ha detto. “Ciò che non veniva notato in quei tempi erano i fermioni di Dirac, una caratteristica speciale del grafene artificiale. Nel nostro lavoro, dichiariamo chiaramente quattro criteri che si devono soddisfare per osservare i fermioni di Dirac in una struttura a semiconduttore artificiale. In parole povere, mentre la gara è in atto dal 2009 per osservare alcune manifestazioni dei fermioni di Dirac nel grafene artificiale, mostriamo come testare i singoli criteri separatamente. Quando tutti i criteri sono soddisfatti, possiamo sperare di osservare i fermioni di Dirac”.

Ha spiegato che i fermioni di Dirac non solo rendono il grafene quello che è, ma forniscono anche informazioni su altre aree della fisica.

“È solo la simmetria esagonale che è responsabile della comparsa dei fermioni di Dirac, ” ha detto Nádvorník. “Questi sono elettroni che si muovono in cristalli (artificiali) di grafene con massa effettiva evanescente. Assomigliano molto alle particelle ultrarelativistiche e il loro movimento può essere, forse sorprendentemente, descritto utilizzando equazioni tipiche della fisica relativistica. I fermioni di Dirac nel grafene (non importa se è grafene artificiale o reale) interconnette così la fisica dello stato solido e l'elettrodinamica quantistica relativistica, due rami molto diversi della fisica moderna”.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di compiere i prossimi passi verso la realizzazione sperimentale del grafene artificiale.

“Una delle conclusioni del nostro lavoro è che un modo praticabile per creare grafene artificiale è ridurre ulteriormente la costante reticolare (periodicità del potenziale applicato) fino a decine di nanometri, ” ha detto Nádvorník. "Per realizzare questo, abbiamo in programma di applicare la litografia a fascio di elettroni con risoluzioni ancora più elevate come abbiamo usato fino ad ora, oppure sfrutta la tecnologia del fascio di ioni focalizzati. Speriamo di essere in grado di fornire prove per i fermioni di Dirac nel grafene artificiale utilizzando un'ampia gamma di tecniche sperimentali disponibili (spettroscopia a infrarossi/THz o visibile o trasporto elettronico).”

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