La estructura electrónica inusual del grafeno permite que este material extraordinario rompa muchos récords de fuerza, conducción de electricidad y calor. Físicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS), en colaboración con el Instituto de Investigación de Estándares y Ciencia (KRISS), utilizó un modelo para explicar la estructura electrónica del grafeno medida por una nueva plataforma espectroscópica. Estas técnicas, publicado en la revista Nano letras , podría promover la investigación futura sobre mediciones cuánticas estables y precisas para la nueva electrónica 2-D.

Recientemente, El interés por los materiales 2-D ha aumentado exponencialmente tanto en la academia como en la industria. Estos materiales están hechos de láminas extremadamente delgadas, que tienen diferentes propiedades físicas en comparación con los materiales tridimensionales convencionales. Es más, cuando se apilan diferentes hojas 2-D una encima de la otra, nuevo electrico, óptico, y emergen las propiedades térmicas. Uno de los materiales bidimensionales más prometedores y más estudiados es el grafeno:una única hoja de átomos de carbono. Para estudiar las propiedades electrónicas del grafeno de capa simple y doble, el equipo construyó un nanodispositivo con grafeno intercalado entre dos capas de un material aislante conocido como nitruro de boro hexagonal (hBN). Encima de este dispositivo colocaron grafito como electrodo. El grafito se compone esencialmente de cientos de miles de capas de grafeno. La capa inferior constaba de una capa de silicio y otra de sílice.

Al ajustar los voltajes aplicados a través del grafito y el silicio, los científicos midieron los cambios en la conductancia del grafeno, que refleja sus propiedades electrónicas. Los electrones del grafeno tienen una estructura energética particular, representado por el llamado cono de Dirac, que en realidad está formado por dos conos que parecen un reloj de arena, con solo un punto infinitesimalmente pequeño en el medio (Punto Dirac). Puedes pensar en él como una copa de cóctel inusual con la forma de un reloj de arena, donde la bebida desempeña la función de los electrones del grafeno. A una temperatura cercana a cero Kelvin (-273 grados Celsius), los electrones se acumulan en los estados de energía más bajos disponibles y llenan el vaso de doble cono de abajo hacia arriba, hasta cierto nivel de energía, llamado nivel de Fermi, es alcanzado. Aplicar un voltaje negativo a través de las capas de silicio y grafito es equivalente a beber del vaso, mientras que un voltaje positivo tiene el mismo efecto que agregar líquido al vidrio. Modulando los voltajes aplicados, los científicos pudieron deducir la estructura electrónica del grafeno siguiendo el nivel de Fermi. En particular, notaron que cuando el voltaje aplicado al grafito es de alrededor de 350 milivoltios, hay una caída en la medición de la conductancia, por el cual el nivel de Fermi coincide con el punto de Dirac. Esta es una propiedad bien conocida del grafeno de una sola capa.

Finalmente, las propiedades eléctricas cambian de nuevo cuando se aplica un campo magnético al grafeno de una sola capa. En este caso, en lugar de una copa de cóctel de reloj de arena, la energía de los electrones es más similar a una escalera donde los electrones de energías crecientes se pueden encontrar en los peldaños más altos. Los espacios entre los peldaños de la escalera carecen de electrones, mientras que los pasos se llenan de electrones de abajo hacia arriba. Curiosamente, los datos obtenidos por los científicos de KRISS fueron reproducidos con éxito por los físicos teóricos en IBS mostraron más de 40 peldaños, técnicamente conocido como niveles de Landau. Cada nivel se distingue claramente por el bajo ruido de fondo.

En efecto, los científicos también pudieron comparar los datos teóricos y experimentales relativos a las propiedades electrónicas del grafeno bicapa. Grafeno de doble capa, tiene un comportamiento de conductancia diferente con una caída más amplia, más conocido como brecha energética. En presencia de un campo eléctrico perpendicular a él, esta brecha de energía hace que el grafeno de doble capa sea más similar a los semiconductores sintonizables actuales. "Usamos un modelo intuitivo para reproducir la medición experimental y dimos una explicación teórica de por qué estas configuraciones de energía se forman con grafeno de capa simple y doble, "explica MYOUNG Nojoon, primer coautor de este estudio. "Este modelo proporciona un indicador entre voltajes y energía en mediciones espectroscópicas, y creemos que este es un paso fundamental para estudiar más a fondo las propiedades electrónicas del grafeno ".