L'insolita struttura elettronica del grafene consente a questo straordinario materiale di battere molti record di forza, conduzione elettrica e termica. Fisici presso il Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi (PCS), in collaborazione con il Research Institute for Standards and Science (KRISS), ha utilizzato un modello per spiegare la struttura elettronica del grafene misurata da una nuova piattaforma spettroscopica. Queste tecniche, pubblicato sulla rivista Nano lettere , potrebbe promuovere la ricerca futura su misurazioni quantistiche stabili e accurate per la nuova elettronica 2-D.

Recentemente, l'interesse per i materiali 2-D è aumentato esponenzialmente sia nel mondo accademico che nell'industria. Questi materiali sono costituiti da lastre estremamente sottili, che hanno proprietà fisiche diverse rispetto ai materiali 3D convenzionali. Inoltre, quando diversi fogli 2D sono impilati uno sopra l'altro, nuovo elettrico, ottico, e le proprietà termiche emergono. Uno dei materiali 2-D più promettenti e molto studiati è il grafene:un singolo foglio di atomi di carbonio. Per studiare le proprietà elettroniche del grafene sia a strato singolo che doppio, il team ha costruito un nanodispositivo con grafene inserito tra due strati di un materiale isolante noto come nitruro di boro esagonale (hBN). Sopra questo dispositivo hanno posizionato la grafite come elettrodo. La grafite è essenzialmente costituita da centinaia di migliaia di strati di grafene. Lo strato inferiore era costituito da uno strato di silicio e uno di silice.

Sintonizzando le tensioni applicate tramite la grafite e il silicio, gli scienziati hanno misurato i cambiamenti nella conduttanza del grafene, che riflette le sue proprietà elettroniche. Gli elettroni del grafene hanno una particolare struttura energetica, rappresentato dal cosiddetto cono di Dirac, che in realtà è formato da due coni che sembrano una clessidra, con solo un punto infinitesimale in mezzo (Punto Dirac). Puoi pensarlo come un insolito bicchiere da cocktail a forma di clessidra, dove la bevanda svolge la funzione degli elettroni del grafene. A temperatura prossima allo zero Kelvin (-273 gradi Celsius), gli elettroni si impacchettano negli stati energetici più bassi disponibili e riempiono il vetro a doppio cono dal basso verso l'alto, fino a un certo livello di energia, detto livello di Fermi, è raggiunto. Applicare una tensione negativa attraverso gli strati di silicio e grafite equivale a bere dal bicchiere, mentre una tensione positiva ha lo stesso effetto dell'aggiunta di liquido al bicchiere. Attraverso la modulazione delle tensioni applicate, gli scienziati potrebbero dedurre la struttura elettronica del grafene seguendo il livello di Fermi. In particolare, hanno notato che quando la tensione applicata alla grafite è di circa 350 milliVolt, c'è un calo nella misurazione della conduttanza, per cui il livello di Fermi coincide con il punto di Dirac. Questa è una proprietà ben nota del grafene a strato singolo.

Finalmente, le proprietà elettriche cambiano nuovamente quando viene applicato un campo magnetico al grafene a strato singolo. In questo caso, invece di un bicchiere da cocktail clessidra, l'energia degli elettroni è più simile a una scala in cui si possono trovare elettroni di energie crescenti sui gradini più alti. Gli spazi tra i pioli della scala sono privi di elettroni, mentre i gradini si riempiono di elettroni dal basso verso l'alto. interessante, i dati ottenuti dagli scienziati di KRISS sono stati riprodotti con successo dai fisici teorici dell'IBS hanno mostrato più di 40 pioli, tecnicamente conosciuti come livelli di Landau. Ogni livello è chiaramente distinto a causa del basso rumore di fondo.

Infatti, gli scienziati potrebbero anche abbinare i dati teorici e sperimentali relativi alle proprietà elettroniche del grafene a doppio strato. Grafene a doppio strato, ha un diverso comportamento di conduttanza con un tuffo più ampio, meglio conosciuto come gap energetico. In presenza di un campo elettrico ad esso perpendicolare, questo gap energetico rende il grafene a doppio strato più simile agli attuali semiconduttori sintonizzabili. "Abbiamo utilizzato un modello intuitivo per riprodurre la misurazione sperimentale e abbiamo fornito una spiegazione teorica del motivo per cui queste configurazioni energetiche si formano con il grafene a strato singolo e doppio, " spiega MYOUNG Nojoon, primo coautore di questo studio. "Questo modello fornisce un indicatore tra tensioni ed energia nelle misurazioni spettroscopiche, e crediamo che questo sia un passo fondamentale per studiare ulteriormente le proprietà elettroniche del grafene".