Графен состоит из чрезвычайно тонких листов графита: при письме карандашом графеновые листы отслаиваются от графитовой сердцевины карандаша и прилипают к странице. Если поместить графен под мощный электронный микроскоп, он обнаружит свою пластинчатую структуру из сшитых атомов углерода, напоминающую проволочную сетку.Физики UA обнаружили, что под воздействием электрического поля части материала превращаются из металла в полупроводник.Графен — самый тонкий материал в мире, для него требуется 300 000 листов, равных толщине человеческого волоса или листа бумаги.
Ученые и инженеры заинтересованы в этом из-за его возможных применений в микроэлектронных устройствах в надежде продвинуть нас от эпохи кремния к эпохе графена. Сложная часть состоит в том, чтобы контролировать поток электронов через материал, что является необходимым условием для того, чтобы заставить его работать в любой электронной схеме.Брайан Лерой, доцент физики UA, и его сотрудники преодолели препятствие на пути к этой цели, продемонстрировав, что электрическое поле способно управлять кристаллической структурой трехслойного графена, который состоит из трех слоев графена.Большинство материалов требуют высоких температур, давления или того и другого для изменения своей кристаллической структуры, поэтому графит не превращается самопроизвольно в алмаз или наоборот.
«Крайне редко материал может изменить свою кристаллическую структуру просто под действием электрического поля», — сказал Лерой. «Создание трехслойного графена — исключительно уникальная система, которую можно использовать для создания новых устройств».Трехслойный графен можно укладывать двумя уникальными способами. Это аналогично складыванию слоев бильярдных шаров в треугольную решетку, при этом шары представляют собой атомы углерода.
«Когда вы складываете два слоя бильярдных шаров, их« кристаллическая структура »фиксируется, потому что верхний слой шаров должен находиться в отверстиях, образованных треугольниками нижнего слоя», — объяснил Мэтью Янковиц, аспирант третьего курса в лаборатории Лероя. Кафедра физики в UA College of Science. Он является первым автором опубликованного исследования, опубликованного в журнале Nature Materials. «Третий слой шаров может быть уложен таким образом, чтобы его шары были заподлицо над шарами в нижнем слое, или он может быть немного смещен, чтобы его шары лежали над отверстиями, образованными треугольниками в нижнем слое».
Эти две конфигурации наложения могут естественным образом существовать в одной и той же пластинке графена. Эти два домена разделены резкой границей, где углеродные шестиугольники деформированы, чтобы приспособиться к переходу от одного рисунка наложения к другому.«Из-за различных конфигураций наложения по обе стороны от доменной стенки, одна сторона материала ведет себя как металл, а другая сторона ведет себя как полупроводник», — пояснил Лерой.
Изучая доменную стенку с помощью электрического поля, приложенного чрезвычайно острым металлическим наконечником для сканирующей туннельной микроскопии, исследователи из группы Лероя обнаружили, что они могут изменять положение доменной стенки внутри чешуйки графена. И по мере того, как они перемещали доменную стенку, кристаллическая структура трехслойного графена менялась вслед за ним.«У нас была идея, что на границе будут интересные электронные эффекты, и граница продолжала перемещаться вокруг нас», — сказал Лерой. «Сначала это было неприятно, но как только мы поняли, что происходит, это оказался самый интересный эффект».Применяя электрическое поле для перемещения границы, теперь впервые стало возможным изменять кристаллическую структуру графена контролируемым образом.
«Теперь у нас есть ручка, которую мы можем повернуть, чтобы изменить материал с металлического на полупроводниковый и наоборот, чтобы управлять потоком электронов», — сказал Лерой. «По сути, это дает нам двухпозиционный переключатель, который еще не был реализован в графене».Хотя необходимы дополнительные исследования, прежде чем графен может быть применен в технологических приложениях в промышленных масштабах, исследователи видят способы его использования.«Если бы вы использовали широкий электрод вместо заостренного наконечника, вы могли бы переместить границу между двумя конфигурациями на большее расстояние, что могло бы сделать возможным создание транзисторов из графена», — сказал Янковиц.
Транзисторы являются основой электронных схем, потому что они контролируют поток электронов.В отличие от кремниевых транзисторов, используемых сейчас, транзисторы на основе графена могут быть чрезвычайно тонкими, что делает устройство намного меньше, а поскольку электроны движутся через графен намного быстрее, чем через кремний, эти устройства позволят ускорить вычисления.
Кроме того, производятся транзисторы на основе кремния, которые могут работать как одного из двух типов — p-типа или n-типа — тогда как графен может работать как в обоих. Это сделало бы их более дешевыми в производстве и более универсальными в применении.