Estudio de las órbitas de los electrones en el grafeno multicapa encuentra deficiencias inesperadas de energía
10 de agosto 2010 
El apilamiento de hojas de grafeno crea regiones en las que la alineación moiré es de tipo AA (todos los átomos tienen los vecinos de la capa de abajo) , AB (sólo una átomos tienen los vecinos ) o Iberia ( solamente átomos de B tienen los vecinos ) . En la figura, las regiones de AA son de color azul - blanco, mientras que AB y BA regiones son el rojo y amarillo, respectivamente. Crédito: Cortesía de Felipe Primera
Los investigadores han dado un paso más hacia la comprensión de las propiedades únicas ya menudo inesperados del grafeno , un material de carbono de dos dimensiones que ha despertado el interés por sus aplicaciones potenciales en las futuras generaciones de dispositivos electrónicos.
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En el 8 de agosto antes de la edición en línea del diario Nature Physics, Los investigadores del Georgia Institute of Technology y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST ) describen por primera vez cómo las órbitas de los electrones se distribuyen espacialmente por los campos magnéticos aplicados a las capas de grafeno epitaxial .
El equipo de investigación también encontró que estas órbitas de electrones pueden interactuar con el sustrato sobre el que se cultiva el grafeno , la creación de lagunas de energía que afectan a cómo las ondas de electrones se mueven a través del material multicapa. Estas lagunas de la energía podría tener implicaciones para los diseñadores de determinados grafeno basado en dispositivos electrónicos.
"El patrón regular de las deficiencias de energía en la superficie de grafeno crea regiones donde el transporte de electrones no está permitido ", dijo Phillip N. First , profesor en la Escuela de Georgia Tech de Física y uno de los co el papel -autores . "Las ondas de electrones tendría que ir en torno a estas regiones , lo que requiere nuevos patrones de interferencia de electrones de onda. Comprender esas injerencias será importante para los dispositivos de grafeno bi - capa que se han propuesto , y puede ser importante para otros celosía de concordancia sustratos utilizados para apoyar grafeno y los dispositivos de grafeno. "
En una campo magnético, un electrón se mueve en una trayectoria circular - conocida como una órbita ciclotrón - cuyo radio depende del tamaño del campo magnético y la energía del electrón. Para un campo magnético constante , que es un poco como rodar una canica todo en un tazón grande , dijo Primera .
"En la alta energía, el mármol órbitas altas en la taza , mientras que para bajas energías , el tamaño de la órbita es más pequeña y más baja en la taza ", explicó . " Las órbitas ciclotrón en el grafeno también dependen de la energía del electrón y el electrón potencial local - que corresponde a la taza - pero hasta ahora , las órbitas no había sido captado directamente. "
Situado en un campo magnético, estas órbitas de deriva normalmente a lo largo de las líneas de potencial eléctrico casi constante. Pero cuando una muestra de grafeno tiene pequeñas fluctuaciones en el potencial, estos "estados de deriva " pueden quedar atrapados en una colina o un valle en el material que se ha cerrado constante contornos potenciales. Dicha captura de portadores de carga es importante para el efecto Hall cuántico , en el que precisamente cuantificado los resultados de resistencia de la conducción responsable únicamente a través de las órbitas que saltan a lo largo de los bordes del material.
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El estudio se centró en una órbita del electrón particular: una órbita de energía cero que es único en el grafeno . Debido a que los electrones son ondas de materia , la interferencia en un material afecta cómo su energía se refiere a la velocidad de la onda - y ondas reflejadas añadido a una onda de entrada se pueden combinar para producir una onda lenta compuesto. Electrones que se mueven a través de la única "pollo -wire " arreglo de enlaces carbono-carbono en el grafeno interferir en una forma que deja la velocidad de onda de la misma para todos los niveles de energía.
Además de encontrar que los estados de energía de seguir las variaciones del potencial eléctrico constante, los investigadores descubrieron áreas específicas en la superficie de grafeno , donde la energía orbital de los electrones cambia de un átomo a otro. Eso crea una brecha de energía en zonas aisladas en la superficie.
" Al examinar su distribución sobre la superficie en diferentes campos magnéticos, se determinó que la brecha de energía se debe a una sutil interacción con el sustrato , que consta de varias capas de grafeno crecido en una oblea de silicio de carburo ", explicó en primer lugar .
En grafeno epitaxial de múltiples capas, cada capa es simétrica subred se rota ligeramente con respecto a la siguiente. En estudios previos , los investigadores encontraron que las rotaciones servido para disociar las propiedades electrónicas de cada capa de grafeno.
"Nuestros hallazgos tienen los primeros indicios de una pequeña interacción dependiente de la posición entre las capas ", dijo David L. Miller , autor principal del artículo y un estudiante graduado en el laboratorio Primera . " Esta interacción se produce sólo cuando el tamaño de una órbita ciclotrón - que reduce a medida que el campo magnético es mayor - se hace más pequeño que el tamaño de los parches observado. "
El origen de la posición de interacción dependientes se cree que es el patrón de " moiré " de las alineaciones atómica entre dos capas adyacentes de grafeno. En algunas regiones , los átomos de una capa de átomos se encuentran encima de la capa de abajo, mientras que en otras regiones , ninguno de los átomos se alinean con los átomos de la capa de abajo. En otras regiones todavía , la mitad de los átomos tienen los vecinos de la capa inferior , un caso en que se rompe la simetría de los átomos de carbono y el nivel de Landau - nivel discreto de energía de los electrones - se divide en dos energías diferentes .
Experimentalmente , los investigadores examinaron una muestra de grafeno epitaxial crecido a Georgia Tech en el laboratorio del profesor Walt de Heer , utilizando técnicas desarrolladas por su equipo de investigación durante los últimos años.
Ellos usaron la punta de un microscopio de barrido construido por encargo - de efecto túnel ( STM ) para investigar la estructura electrónica a escala atómica de la grafeno en una técnica conocida como espectroscopía de efecto túnel . La punta se mueve por la superficie de una sección de 100 nanómetros cuadrados de grafeno , y los datos espectroscópicos fue adquirido cada 0,4 nanómetros.
Las mediciones se realizaron en 4,3 grados Kelvin para aprovechar el hecho de que la resolución de energía es proporcional a la temperatura. El microscopio de efecto túnel - , diseñado y construido por José Stroscio en el Centro de Nanotecnología del NIST para la Ciencia y la Tecnología, utiliza un imán superconductor para proporcionar los campos magnéticos necesarios para estudiar las órbitas .
Según Primero, el estudio plantea una serie de preguntas para la investigación futura , incluida la forma en las lagunas de la energía afectará a las propiedades de transporte de electrones , como los efectos observados pueden afectar propuesta bi - capa grafeno dispositivos coherente - y si el nuevo fenómeno se puede controlar.
"Este estudio es realmente un escalón en el largo camino para entender las sutilezas de las propiedades interesantes de grafeno ", dijo. "Este material es diferente de todo lo que hemos trabajado antes en la electrónica. "
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia
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