Os pesquisadores deram mais um passo para compreender as propriedades únicas e muitas vezes inesperadas do grafeno, um material de carbono bidimensional que tem atraído interesse por causa de suas aplicações potenciais em futuras gerações de dispositivos eletrônicos.

Na edição online avançada de 8 de agosto da revista Física da Natureza , pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descrevem pela primeira vez como as órbitas dos elétrons são distribuídas espacialmente por campos magnéticos aplicados a camadas de grafeno epitaxial.

A equipe de pesquisa também descobriu que essas órbitas de elétrons podem interagir com o substrato no qual o grafeno é cultivado, criando lacunas de energia que afetam como as ondas de elétrons se movem através do material multicamadas. Essas lacunas de energia podem ter implicações para os projetistas de certos dispositivos eletrônicos baseados em grafeno.

"O padrão regular de lacunas de energia na superfície do grafeno cria regiões onde o transporte de elétrons não é permitido, "disse Phillip N. Primeiro, professor da Georgia Tech School of Physics e um dos co-autores do artigo. "As ondas de elétrons teriam que contornar essas regiões, exigindo novos padrões de interferência de ondas eletrônicas. Compreender essa interferência será importante para os dispositivos de grafeno de duas camadas que foram propostos, e pode ser importante para outros substratos de rede combinada usados ​​para suportar grafeno e dispositivos de grafeno. "

Em um campo magnético, um elétron se move em uma trajetória circular - conhecida como órbita do ciclotron - cujo raio depende do tamanho do campo magnético e da energia do elétron. Para um campo magnético constante, isso é um pouco como rolar uma bola de gude em uma tigela grande, Disse primeiro.

"Em alta energia, o mármore orbita no alto da tigela, enquanto para energias mais baixas, o tamanho da órbita é menor e mais baixo na tigela, "ele explicou." As órbitas do cíclotron no grafeno também dependem da energia do elétron e do potencial do elétron local - correspondendo à tigela - mas até agora, as órbitas não foram fotografadas diretamente. "

Colocado em um campo magnético, essas órbitas normalmente derivam ao longo de linhas de potencial elétrico quase constante. Mas quando uma amostra de grafeno tem pequenas flutuações no potencial, esses "estados de deriva" podem ficar presos em uma colina ou vale no material que fechou contornos potenciais constantes. Essa captura de portadores de carga é importante para o efeito Hall quântico, em que a resistência quantizada com precisão resulta da condução de carga apenas através das órbitas que saltam ao longo das bordas do material.

O estudo se concentrou em uma órbita de elétrons em particular:uma órbita de energia zero que é exclusiva do grafeno. Porque os elétrons são ondas de matéria, a interferência dentro de um material afeta como sua energia se relaciona com a velocidade da onda - e as ondas refletidas adicionadas a uma onda de entrada podem se combinar para produzir uma onda composta mais lenta. Os elétrons que se movem através do arranjo único de "arame de galinha" das ligações carbono-carbono no grafeno interferem de uma maneira que mantém a velocidade da onda igual para todos os níveis de energia.

Além de descobrir que os estados de energia seguem contornos de potencial elétrico constante, os pesquisadores descobriram áreas específicas na superfície do grafeno onde a energia orbital dos elétrons muda de um átomo para o outro. Isso cria uma lacuna de energia dentro de manchas isoladas na superfície.

"Ao examinar sua distribuição na superfície em busca de diferentes campos magnéticos, determinamos que a lacuna de energia é devido a uma interação sutil com o substrato, que consiste em grafeno multicamadas cultivado em uma bolacha de carboneto de silício, "Explicado primeiro.

No grafeno epitaxial multicamadas, a sub-rede simétrica de cada camada é ligeiramente girada em relação à próxima. Em estudos anteriores, os pesquisadores descobriram que as rotações serviram para desacoplar as propriedades eletrônicas de cada camada de grafeno.

"Nossas descobertas apresentam as primeiras indicações de uma pequena interação dependente da posição entre as camadas, "disse David L. Miller, o primeiro autor do artigo e um estudante de pós-graduação no laboratório do First. "Essa interação ocorre apenas quando o tamanho da órbita do cíclotron - que encolhe à medida que o campo magnético é aumentado - torna-se menor do que o tamanho das manchas observadas."

Acredita-se que a origem da interação dependente da posição seja o "padrão moiré" de alinhamentos atômicos entre duas camadas adjacentes de grafeno. Em algumas regiões, átomos de uma camada encontram-se sobre os átomos da camada abaixo, enquanto em outras regiões, nenhum dos átomos se alinha com os átomos da camada abaixo. Em ainda outras regiões, metade dos átomos tem vizinhos na camada inferior, uma instância em que a simetria dos átomos de carbono é quebrada e o nível de Landau - nível de energia discreto dos elétrons - se divide em duas energias diferentes.

Experimentalmente, os pesquisadores examinaram uma amostra de grafeno epitaxial cultivado na Georgia Tech no laboratório do professor Walt de Heer, usando técnicas desenvolvidas por sua equipe de pesquisa ao longo dos últimos anos.

Eles usaram a ponta de um microscópio de tunelamento de varredura (STM) customizado para sondar a estrutura eletrônica em escala atômica do grafeno em uma técnica conhecida como espectroscopia de tunelamento de varredura. A ponta foi movida pela superfície de uma seção de 100 nanômetros quadrados de grafeno, e dados espectroscópicos foram adquiridos a cada 0,4 nanômetros.

As medições foram feitas a 4,3 graus Kelvin para aproveitar o fato de que a resolução de energia é proporcional à temperatura. O microscópio de tunelamento de varredura, projetado e construído por Joseph Stroscio no NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, usou um ímã supercondutor para fornecer os campos magnéticos necessários para estudar as órbitas.

De acordo com a Primeira, o estudo levanta uma série de questões para pesquisas futuras, incluindo como as lacunas de energia afetarão as propriedades de transporte de elétrons, como os efeitos observados podem impactar os dispositivos coerentes de grafeno de duas camadas - e se o novo fenômeno pode ser controlado.

"Este estudo é realmente um trampolim em um longo caminho para a compreensão das sutilezas das propriedades interessantes do grafeno, "disse ele." Este material é diferente de tudo com que trabalhamos antes na eletrônica. "