موفقیت محققان در تولید ساختار چند لایه گرافنی با ویژگی جدید

[ERF@N]

یک تیم تحقیقات بین‌المللی با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) موفق به جا‌به‌جا کردن لایه‌ها در گرافن شده است و در نهایت ساختار چند لایه گرافنی با خواص الکترونیکی ویژه ایجاد کردند.

پژوهشگران ژاپنی و اسپانیایی دریافتند که با استفاده از میدان الکتریکی می‌توان توالی لایه‌ها در گرافن را تغییر داد. این بدان معناست که با این روش می‌توان گرافن شبه فلزی را به گرافن نیمه‌هادی منتقل کرد. این کار تنها با اعمال ولتاژ انجام می‌شود. با این یافته محققان می‌توانند ادوات الکترونیکی مختلف را با استفاده مواد کربنی تولید کنند.

گرافن ماده‌ای ورقه‌ای شکل از کربن است که ضخامتی در حد یک لایه اتمی دارد. این ماده‌ی شبه فلزی، فاقد باندگپ است. چندلایه‌های گرافنی تفاوت بارزی با تک‌لایه‌های گرافنی دارند به‌ طوری که می‌توان با اعمال میدان الکتریکی، باندگپ بزرگی روی آن‌ها ایجاد کرد. زمانی که چندلایه‌ی گرافن روی هم قرار می‌گیرند، پیکربندی آن‌ها تغییرکرده و ساختارهایی نظیر برنال یا رومبوهدرال ایجاد می‌کنند.

پیکربندی برنالی زمانی ایجاد می‌شود که لایه A روی B قرارگیرد. پیکربندی ABA کمترین انرژی را در میان دیگر ساختارها دارد. گرافن به این نوع پیکربندی، در شرایط عادی، گرایش بیشتری دارد. با این حال پیکربندی‌های با انرژی بالاتر نظیر رومبوهدرال نیز وجود دارد، در این ساختارها شبکه لایه بالایی روی مرکز هگزاگونال لایه زیرین قرار می‌گیرد.

این دو پیکربندی از نظر خواص الکترونیکی با هم تفاوت دارند، به‌ طوری که با اعمال میدان الکتریکی عمود بر ورق گرافنی تقارن لایه‌ها از بین می‌رود؛ بنابراین چیدمان لایه‌ها نقش مهمی در بروز خواص الکتریکی در لایه‌های گرافن دارد. زمانی که میدان الکتریکی به سه لایه گرافنی اعمال می‌شود، انرژی رومبوهدرال کمترین انرژی را دارد. این به دلیل باز شدن باندگپ آن است.

این که بتوان مرز دانه‌ها را در گرافن کنترل کرد، ابزار مفیدی برای تولید ساختارهای گرافنی با خواص منحصربه فرد است. پژوهشگران MIT، دانشگاه هاروارد ، مؤسسه‌ی ملی علم مواد در سوکوبا و ICMM-CSIC مادرید موفق شدند تا با استفاده از الکترود گیت، خواص الکتریکی سه لایه‌های گرافنی را تغییر دهند.

پژوهشگران این پروژه با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی لایه‌های گرافن را جابه‌جا کرده و ساختاری با ویژگی‌های الکتریکی از پیش‌ تعیین شده ایجاد کردند.

نتایج این پژوهش در قالب مقاله‌ای در نشریه‌ی Nature Materials به چاپ رسیده است.