El científico de planta Jurek Sadowski (izquierda) y el postdoctorado Zhongwei Dai en las instalaciones de Quantum Material Press (QPress) en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional de Brookhaven. La gran pieza circular es el robot QPress central, con varios módulos unidos a los lados para el recocido de la muestra, deposición de película, limpieza con plasma, y bibliotecas de muestra. El sistema QPress completo, todavía en desarrollo, Automatizará el apilamiento de materiales 2-D en estructuras en capas con propiedades exóticas para aplicaciones cuánticas. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los científicos que estudian dos configuraciones diferentes de grafeno bicapa:el bidimensional (2D), forma átomo-delgada de carbono - han detectado resonancias entre capas electrónicas y ópticas. En estos estados resonantes, los electrones rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los dos planos atómicos en la interfaz 2D a la misma frecuencia. Al caracterizar estos estados, descubrieron que torciendo una de las capas de grafeno 30 grados con respecto a la otra, en lugar de apilar las capas directamente una encima de la otra, cambia la resonancia a una energía más baja. De este resultado, recién publicado en Cartas de revisión física , dedujeron que la distancia entre las dos capas aumentó significativamente en la configuración retorcida, en comparación con el apilado. Cuando esta distancia cambia, también lo hacen las interacciones entre capas, influyendo en cómo se mueven los electrones en el sistema bicapa. La comprensión de este movimiento de electrones podría informar el diseño de futuras tecnologías cuánticas para una informática más potente y una comunicación más segura.
"Los chips de computadora actuales se basan en nuestro conocimiento de cómo se mueven los electrones en los semiconductores, específicamente silicio, "dijo el primer y co-autor correspondiente Zhongwei Dai, un postdoctorado en el Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaces en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Pero las propiedades físicas del silicio están alcanzando un límite físico en términos de cómo se pueden hacer pequeños transistores y cuántos pueden caber en un chip. Si podemos entender cómo se mueven los electrones a la pequeña escala de unos pocos nanómetros en las dimensiones reducidas de Materiales 2D, es posible que podamos desbloquear otra forma de utilizar electrones para la ciencia de la información cuántica ".
A unos pocos nanómetros, o mil millonésimas de metro, el tamaño de un sistema material es comparable al de la longitud de onda de los electrones. Cuando los electrones están confinados en un espacio con dimensiones de su longitud de onda, las propiedades ópticas y electrónicas del material cambian. Estos efectos de confinamiento cuántico son el resultado del movimiento ondulatorio de la mecánica cuántica en lugar del movimiento mecánico clásico. en el que los electrones se mueven a través de un material y se dispersan por defectos aleatorios.
Para esta investigación, el equipo seleccionó un modelo de material simple, el grafeno, para investigar los efectos del confinamiento cuántico, aplicando dos sondas diferentes:electrones y fotones (partículas de luz). Para sondear resonancias tanto electrónicas como ópticas, utilizaron un sustrato especial sobre el que se podía transferir el grafeno. El coautor correspondiente y científico del CFN Interface Science and Catalysis Group, Jurek Sadowski, había diseñado previamente este sustrato para Quantum Material Press (QPress). El QPress es una herramienta automatizada en desarrollo en la Instalación de Caracterización y Síntesis de Materiales CFN para la síntesis, Procesando, y caracterización de materiales 2D en capas. Convencionalmente Los científicos exfolian "escamas" de material 2D a partir de cristales parentales 3D (p. ej., grafeno de grafito) sobre un sustrato de dióxido de silicio de varios cientos de nanómetros de espesor. Sin embargo, este sustrato es aislante, y, por tanto, las técnicas de interrogación basadas en electrones no funcionan. Entonces, Sadowski y el científico de CFN Chang-Yong Nam y el estudiante graduado de la Universidad de Stony Brook Ashwanth Subramanian depositaron una capa conductora de óxido de titanio de solo tres nanómetros de espesor sobre el sustrato de dióxido de silicio.
"Esta capa es lo suficientemente transparente para la caracterización óptica y la determinación del grosor de las escamas exfoliadas y las monocapas apiladas, mientras que es lo suficientemente conductora para técnicas de microscopía electrónica o espectroscopía basada en sincrotrones, "explicó Sadowski.
En el Grupo Charlie Johnson de la Universidad de Pensilvania, la profesora Rebecca W. Bushnell de Física y Astronomía Charlie Johnson, postdoctorado Qicheng Zhang, y el ex postdoctorado Zhaoli Gao (ahora profesor asistente en la Universidad China de Hong Kong), cultivaron el grafeno en láminas de metal y lo transfirieron al sustrato de óxido de titanio / dióxido de silicio. Cuando el grafeno se cultiva de esta manera, los tres dominios (capa única, apilado y retorcidos) están presentes.
(a) Esquemas de la configuración experimental para la dispersión de electrones y fotones. (b) Un modelo atómico del patrón formado por la estructura cristalina de grafeno bicapa retorcida (30 ° -tBLG). (c) Una imagen de microscopio electrónico de baja energía de un área de muestra típica que contiene 30 ° -tBLG, grafeno bicapa apilado (AB-BLG), y grafeno monocapa (SLG). (d) Un patrón de difracción de electrones de baja energía en un área de 30 ° -tBLG. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Luego, Dai y Sadowski diseñaron y llevaron a cabo experimentos en los que dispararon electrones al material con un microscopio electrónico de baja energía (LEEM) y detectaron los electrones reflejados. También dispararon fotones desde un microscopio óptico basado en láser con un espectrómetro en el material y analizaron el espectro de luz dispersada. Este microscopio confocal Raman es parte del catalogador QPress, que junto con el software de análisis de imágenes, puede señalar las ubicaciones de las áreas de interés de muestra.
"El microscopio QPress Raman nos permitió identificar rápidamente el área de muestra objetivo, acelerando nuestra investigación, "dijo Dai.
Sus resultados sugirieron que el espacio entre capas en la configuración de grafeno retorcido aumentó en aproximadamente un seis por ciento en relación con la configuración no retorcida. Los cálculos de los teóricos de la Universidad de New Hampshire verificaron el comportamiento electrónico resonante único en la configuración retorcida.
"Los dispositivos hechos de grafeno rotado pueden tener propiedades muy interesantes e inesperadas debido al mayor espaciado entre capas en las que los electrones pueden moverse, "dijo Sadowski.
Próximo, el equipo fabricará dispositivos con el grafeno retorcido. El equipo también se basará en los experimentos iniciales realizados por el científico Samuel Tenney del personal de CFN y los postdoctorados de CFN Calley Eads y Nikhil Tiwale para explorar cómo la adición de diferentes materiales a la estructura en capas afecta sus propiedades electrónicas y ópticas.
"En esta investigación inicial, Elegimos el sistema de materiales 2D más simple que podemos sintetizar y controlar para comprender cómo se comportan los electrones, ", dijo Dai." Planeamos continuar este tipo de estudios fundamentales, con suerte, arrojará luz sobre cómo manipular materiales para la computación cuántica y las comunicaciones ".
