A estrutura eletrônica incomum do grafeno permite que este material extraordinário quebre muitos recordes de força, eletricidade e condução de calor. Físicos do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS), em colaboração com o Instituto de Pesquisa para Padrões e Ciência (KRISS), usou um modelo para explicar a estrutura eletrônica do grafeno medida por uma nova plataforma espectroscópica. Essas técnicas, publicado no jornal Nano Letras , poderia promover pesquisas futuras sobre medições quânticas estáveis ​​e precisas para novos eletrônicos 2-D.

Recentemente, o interesse por materiais 2-D aumentou exponencialmente tanto na academia quanto na indústria. Esses materiais são feitos de folhas extremamente finas, que têm propriedades físicas diferentes em comparação com os materiais 3-D convencionais. Além disso, quando diferentes folhas 2-D são empilhadas umas sobre as outras, nova elétrica, óptico, e as propriedades térmicas emergem. Um dos materiais 2-D mais promissores e muito estudados é o grafeno:uma única folha de átomos de carbono. A fim de estudar as propriedades eletrônicas do grafeno de camada única e dupla, a equipe construiu um nanodispositivo com grafeno imprensado entre duas camadas de um material isolante conhecido como nitreto de boro hexagonal (hBN). Em cima deste dispositivo eles colocaram grafite como eletrodo. O grafite é essencialmente constituído por centenas de milhares de camadas de grafeno. A camada inferior consistia em uma camada de silício e uma de sílica.

Ajustando as tensões aplicadas via grafite e silício, os cientistas mediram as mudanças na condutância do grafeno, que reflete suas propriedades eletrônicas. Os elétrons do grafeno têm uma estrutura de energia particular, representado pelo chamado cone de Dirac, que na verdade é feito por dois cones que se parecem com uma ampulheta, com apenas um ponto infinitesimalmente pequeno entre (Ponto Dirac). Você pode pensar nisso como um copo de coquetel incomum em forma de ampulheta, onde a bebida desempenha a função dos elétrons do grafeno. Em temperatura próxima de zero Kelvin (-273 graus Celsius), os elétrons se compactam nos estados de energia mais baixos disponíveis e preenchem o vidro de cone duplo de baixo para cima, até um certo nível de energia, chamado nível de Fermi, é atingido. Aplicar uma voltagem negativa através das camadas de silício e grafite é equivalente a beber do vidro, enquanto uma voltagem positiva tem o mesmo efeito que adicionar líquido ao vidro. Através da modulação das tensões aplicadas, os cientistas puderam deduzir a estrutura eletrônica do grafeno seguindo o nível de Fermi. Em particular, eles notaram que quando a voltagem aplicada ao grafite está em torno de 350 miliVolts, há uma queda na medição de condutância, pelo qual o nível de Fermi coincide com o ponto de Dirac. Esta é uma propriedade bem conhecida do grafeno de camada única.

Finalmente, as propriedades elétricas mudam novamente quando um campo magnético é aplicado ao grafeno de camada única. Nesse caso, em vez de uma ampulheta de coquetel, a energia dos elétrons é mais semelhante a uma escada onde elétrons de energias crescentes podem ser encontrados nos degraus superiores. Os intervalos entre os degraus da escada são desprovidos de elétrons, enquanto as etapas são preenchidas com elétrons de baixo para cima. Interessantemente, os dados obtidos pelos cientistas do KRISS foram reproduzidos com sucesso pelos físicos teóricos do IBS mostraram mais de 40 degraus, tecnicamente conhecido como níveis de Landau. Cada nível se distinguia claramente por causa do baixo ruído de fundo.

De fato, os cientistas também puderam comparar os dados teóricos e experimentais relativos às propriedades eletrônicas do grafeno de duas camadas. Grafeno de camada dupla, tem um comportamento de condutância diferente com um mergulho mais amplo, mais conhecido como gap de energia. Na presença de um campo elétrico perpendicular a ele, esta lacuna de energia torna o grafeno de camada dupla mais semelhante aos semicondutores sintonizáveis ​​atuais. "Usamos um modelo intuitivo para reproduzir a medição experimental e demos uma explicação teórica de por que essas configurações de energia se formam com o grafeno de camada única e dupla, "explica MYOUNG Nojoon, primeiro co-autor deste estudo. "Este modelo fornece um medidor entre tensões e energia em medições espectroscópicas, e acreditamos que este é um passo fundamental para estudar mais as propriedades eletrônicas do grafeno. "