Los investigadores han dado un paso más hacia la comprensión de las propiedades únicas y a menudo inesperadas del grafeno. un material de carbono bidimensional que ha atraído el interés por sus posibles aplicaciones en futuras generaciones de dispositivos electrónicos.

En la edición avanzada en línea del 8 de agosto de la revista Física de la naturaleza , Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) describen por primera vez cómo las órbitas de los electrones se distribuyen espacialmente mediante campos magnéticos aplicados a capas de grafeno epitaxial.

El equipo de investigación también descubrió que estas órbitas de electrones pueden interactuar con el sustrato sobre el que se cultiva el grafeno. creando brechas de energía que afectan la forma en que las ondas de electrones se mueven a través del material multicapa. Estas brechas de energía podrían tener implicaciones para los diseñadores de ciertos dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno.

"El patrón regular de brechas de energía en la superficie del grafeno crea regiones donde no se permite el transporte de electrones, "dijo Phillip N. Primero, profesor de la Escuela de Física de Georgia Tech y uno de los coautores del artículo. "Las ondas de electrones tendrían que rodear estas regiones, requiriendo nuevos patrones de interferencia de ondas de electrones. Comprender dicha interferencia será importante para los dispositivos de grafeno de dos capas que se han propuesto, y puede ser importante para otros sustratos de celosía utilizados para soportar grafeno y dispositivos de grafeno ".

En un campo magnético, un electrón se mueve en una trayectoria circular, conocida como órbita ciclotrónica, cuyo radio depende del tamaño del campo magnético y de la energía del electrón. Para un campo magnético constante, eso es un poco como hacer rodar una canica en un tazón grande, Primero dijo.

"Con mucha energía, el mármol orbita en lo alto del cuenco, mientras que para energías más bajas, el tamaño de la órbita es más pequeño y más bajo en el cuenco, ", explicó." Las órbitas del ciclotrón en el grafeno también dependen de la energía del electrón y del potencial del electrón local, correspondiente al cuenco, pero hasta ahora, las órbitas no habían sido fotografiadas directamente ".

Colocado en un campo magnético, estas órbitas normalmente se mueven a lo largo de 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 valle en el material que ha cerrado contornos de potencial constante. Tal captura de portadores de carga es importante para el efecto Hall cuántico, en el que la resistencia cuantificada con precisión resulta de la conducción de carga únicamente a través de las órbitas que saltan a lo largo de los bordes del material.

El estudio se centró en una órbita de electrones en particular:una órbita de energía cero que es exclusiva del grafeno. Debido a que los electrones son ondas de materia, la interferencia dentro de un material afecta la forma en que su energía se relaciona con la velocidad de la onda, y las ondas reflejadas agregadas a una onda entrante pueden combinarse para producir una onda compuesta más lenta. Los electrones que se mueven a través de la disposición única de "alambre de gallina" de los enlaces carbono-carbono en el grafeno interfieren de una manera que deja la velocidad de onda igual para todos los niveles de energía.

Además de encontrar que los estados de energía siguen contornos de potencial eléctrico constante, Los investigadores descubrieron áreas específicas en la superficie del grafeno donde la energía orbital de los electrones cambia de un átomo a otro. Eso crea una brecha de energía dentro de parches aislados en la superficie.

"Al examinar su distribución sobre la superficie en busca de diferentes campos magnéticos, determinamos que la brecha de energía se debe a una interacción sutil con el sustrato, que consiste en grafeno multicapa cultivado en una oblea de carburo de silicio, "Primero explicado.

En grafeno epitaxial multicapa, la subred simétrica de cada capa se rota ligeramente con respecto a la siguiente. En estudios anteriores, Los investigadores encontraron que las rotaciones servían para desacoplar las propiedades electrónicas de cada capa de grafeno.

"Nuestros hallazgos contienen los primeros indicios de una pequeña interacción dependiente de la posición entre las capas, "dijo David L. Miller, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el laboratorio de First. "Esta interacción ocurre solo cuando el tamaño de la órbita de un ciclotrón, que se encoge a medida que aumenta el campo magnético, se vuelve más pequeño que el tamaño de los parches observados".

Se cree que el origen de la interacción dependiente de la posición es el "patrón muaré" de las alineaciones atómicas entre dos capas adyacentes de grafeno. En algunas regiones, los átomos de una capa se encuentran encima de los átomos de la capa inferior, mientras que en otras regiones, ninguno de los átomos se alinea con los átomos de la capa inferior. En otras regiones, la mitad de los átomos tienen vecinos en la capa inferior, un caso en el que la simetría de los átomos de carbono se rompe y el nivel de Landau (nivel de energía discreto de los electrones) se divide en dos energías diferentes.

Experimentalmente, los investigadores examinaron una muestra de grafeno epitaxial cultivado en Georgia Tech en el laboratorio del profesor Walt de Heer, utilizando técnicas desarrolladas por su equipo de investigación durante los últimos años.

Utilizaron la punta de un microscopio de túnel de barrido (STM) hecho a medida para sondear la estructura electrónica a escala atómica del grafeno en una técnica conocida como espectroscopia de túnel de barrido. La punta se movió a través de la superficie de una sección de grafeno de 100 nanómetros cuadrados, y se adquirieron datos espectroscópicos cada 0,4 nanómetros.

Las mediciones se realizaron a 4,3 grados Kelvin para aprovechar el hecho de que la resolución de energía es proporcional a la temperatura. El microscopio de barrido-túnel, diseñado y construido por Joseph Stroscio en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST, utilizó un imán superconductor para proporcionar los campos magnéticos necesarios para estudiar las órbitas.

Según First, el estudio plantea una serie de preguntas para futuras investigaciones, incluyendo cómo las brechas de energía afectarán las propiedades de transporte de electrones, cómo los efectos observados pueden afectar los dispositivos coherentes de grafeno bicapa propuestos, y si el nuevo fenómeno puede controlarse.

"Este estudio es realmente un trampolín en un largo camino hacia la comprensión de las sutilezas de las interesantes propiedades del grafeno, ", dijo." Este material es diferente de cualquier cosa con la que hemos trabajado antes en electrónica ".