Il s'agit d'une illustration de la déformation d'une peau de tambour en graphène de la taille d'un micron à partir des forces concurrentes d'une pointe de sonde STM et d'une électrode de porte arrière. La contrainte dans la membrane de graphène crée des champs magnétiques pseudo (non réels) qui alternent spatialement de haut en bas (graphique de couleur rouge et bleu) qui confinent les porteurs de graphène et créent des niveaux d'énergie quantiques de type point quantique. L'arrière-plan est une image colorée en microscopie électronique à balayage des têtes de tambour en graphène fabriquées à partir d'une seule couche de graphène exfoliée sur un réseau de piqûres d'un micron gravées dans des substrats de dioxyde de silicium. Crédit :N. Klimov et T. Li, NIST/UMD
Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient régler la contrainte du graphène suspendu comme des peaux de tambour sur des trous microscopiques dans un substrat d'oxyde de silicium à l'aide de la pointe d'un microscope à sonde à balayage avancé et d'une plaque conductrice sous le substrat. Le réglage de la contrainte a permis au groupe de créer des zones dans le graphène où les électrons se comportaient comme s'ils étaient confinés dans des points quantiques.
Resserrer ou relâcher la tension sur une peau de tambour changera la façon dont le tambour sonne. Il en va de même pour les peaux de tambour en graphène, seulement au lieu de changer le son, l'étirement du graphène a un effet profond sur les propriétés électriques du matériau. Des chercheurs travaillant au National Institute of Standards and Technology et à l'Université du Maryland ont montré que soumettre le graphène à une contrainte mécanique peut imiter les effets des champs magnétiques et créer un point quantique, un type exotique de semi-conducteur avec un large éventail d'utilisations potentielles dans les appareils électroniques.
Les résultats ont été communiqués le 22 juin 2012, problème de Science .
Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille. Capable de conduire l'électricité avec peu de résistance à température ambiante, Le graphène est un candidat de choix pour des applications allant des écrans flexibles aux transistors à grande vitesse.
Cependant, le même manque de résistance électrique qui rend le graphène attrayant pour certaines utilisations le rend également inadapté aux applications informatiques numériques. Le graphène conduit si bien l'électricité car il n'a pas de bande interdite, un seuil énergétique en dessous duquel le matériau ne conduit pas l'électricité. Cela signifie que le graphène ne peut pas être désactivé, " et les ordinateurs ont besoin de signaux " marche " et " arrêt " pour transmettre et traiter les informations.
Parce que les substrats ralentissent la vitesse des électrons se déplaçant à travers le graphène, Nikolaï Klimov, un chercheur postdoctoral de l'Université du Maryland travaillant au NIST, suspendu le graphène sur des trous peu profonds dans un substrat de dioxyde de silicium, ce qui fait essentiellement un ensemble de peaux de tambour en graphène. Pour mesurer les propriétés du graphène, l'équipe a utilisé un microscope à sonde à balayage unique conçu et construit au NIST.
Quand ils ont commencé à sonder les peaux de tambour, ils ont découvert que le graphène s'est élevé pour rencontrer la pointe du microscope - un résultat de la force de van der Waals, une force électrique faible qui crée une attraction entre des objets très proches les uns des autres.
"Alors que notre instrument nous disait que le graphène avait la forme d'une bulle serrée sur les bords, les simulations réalisées par nos collègues de l'université du Maryland ont montré que nous ne détections que le point le plus haut du graphène, ", explique le scientifique du NIST Nikolai Zhitenev. "Leurs calculs ont montré que la forme ressemblait en fait plus à la forme que vous obtiendriez si vous poussiez dans la surface d'un ballon gonflé, comme un tipi ou un chapiteau de cirque."
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient régler la tension dans la peau de tambour en utilisant la plaque conductrice sur laquelle le graphène et le substrat étaient montés pour créer une attraction compensatrice et tirer la peau de tambour vers le bas. De cette façon, ils pourraient tirer le graphène dans ou hors du trou en dessous. Et leurs mesures ont montré que la modification du degré de déformation modifiait les propriétés électriques du matériau.
Par exemple, le groupe a observé que lorsqu'ils tiraient la membrane de graphène sous la forme d'une tente, la région au sommet a agi comme un point quantique, un type de semi-conducteur dans lequel les électrons sont confinés dans une petite région de l'espace.
La création de régions semi-conductrices telles que les points quantiques dans le graphène en modifiant sa forme pourrait offrir aux scientifiques le meilleur des deux mondes :une vitesse élevée et la bande interdite cruciale pour l'informatique et d'autres applications.
Selon Jitenev, les électrons traversent le graphène en suivant les segments des hexagones. L'étirement des hexagones abaisse l'énergie près du sommet de la forme en forme de tente et provoque le déplacement des électrons en position fermée, orbites en forme de trèfle - imitant presque exactement comment les électrons se déplaceraient dans un champ magnétique varié verticalement.
"Ce comportement est vraiment assez remarquable, " dit Zhitenev. " Il y a un peu de fuite d'électrons, mais nous avons constaté que si nous complétions le champ pseudomagnétique avec un champ magnétique réel, il n'y a eu aucune fuite."
"Normalement, faire une boîte quantique de graphène, il faudrait découper un morceau de graphène de taille nanométrique, ", déclare Joseph Stroscio, membre du NIST. "Nos travaux montrent que vous pouvez obtenir la même chose avec des champs pseudomagnétiques induits par des contraintes. C'est un super résultat, et une étape importante vers le développement de futurs appareils à base de graphène."
