Les chercheurs ont fait un pas de plus vers la compréhension des propriétés uniques et souvent inattendues du graphène, un matériau carboné bidimensionnel qui a suscité l'intérêt en raison de ses applications potentielles dans les futures générations d'appareils électroniques.

Dans l'édition en ligne anticipée du 8 août de la revue Physique de la nature , des chercheurs du Georgia Institute of Technology et du National Institute of Standards and Technology (NIST) décrivent pour la première fois comment les orbites des électrons sont distribuées spatialement par des champs magnétiques appliqués à des couches de graphène épitaxié.

L'équipe de recherche a également découvert que ces orbites d'électrons peuvent interagir avec le substrat sur lequel le graphène est cultivé, créant des lacunes énergétiques qui affectent la façon dont les ondes électroniques se déplacent à travers le matériau multicouche. Ces écarts énergétiques pourraient avoir des implications pour les concepteurs de certains dispositifs électroniques à base de graphène.

"Le modèle régulier de lacunes énergétiques à la surface du graphène crée des régions où le transport d'électrons n'est pas autorisé, " a déclaré Phillip N. First, professeur à la Georgia Tech School of Physics et l'un des co-auteurs de l'article. "Les ondes électroniques devraient faire le tour de ces régions, nécessitant de nouveaux modèles d'interférence des ondes électroniques. La compréhension de ces interférences sera importante pour les dispositifs bicouches en graphène qui ont été proposés, et peut être important pour d'autres substrats appariés au réseau utilisés pour prendre en charge le graphène et les dispositifs à base de graphène. »

Dans un champ magnétique, un électron se déplace selon une trajectoire circulaire - connue sous le nom d'orbite cyclotron - dont le rayon dépend de la taille du champ magnétique et de l'énergie de l'électron. Pour un champ magnétique constant, c'est un peu comme rouler une bille dans un grand bol, D'abord dit.

"A haute énergie, le marbre orbite haut dans le bol, tandis que pour les énergies inférieures, la taille de l'orbite est plus petite et plus basse dans le bol, " expliqua-t-il. " Les orbites cyclotron dans le graphène dépendent aussi de l'énergie électronique et du potentiel électronique local - correspondant au bol - mais jusqu'à présent, les orbites n'avaient pas été imagées directement."

Placé dans un champ magnétique, ces orbites dérivent normalement le long de lignes de potentiel électrique presque constant. Mais lorsqu'un échantillon de graphène a de petites fluctuations de potentiel, ces "états de dérive" peuvent être piégés au niveau d'une colline ou d'une vallée dans le matériau qui a fermé des contours potentiels constants. Un tel piégeage des porteurs de charge est important pour l'effet Hall quantique, dans laquelle la résistance quantifiée avec précision résulte de la conduction de charge uniquement à travers les orbites qui sautent le long des bords du matériau.

L'étude s'est concentrée sur une orbite d'électrons particulière :une orbite à énergie nulle qui est unique au graphène. Parce que les électrons sont des ondes de matière, les interférences au sein d'un matériau affectent la relation entre leur énergie et la vitesse de l'onde - et les ondes réfléchies ajoutées à une onde entrante peuvent se combiner pour produire une onde composite plus lente. Les électrons se déplaçant à travers l'arrangement unique en "fil de poulet" des liaisons carbone-carbone dans le graphène interfèrent d'une manière qui laisse la vitesse de l'onde la même pour tous les niveaux d'énergie.

En plus de constater que les états d'énergie suivent des contours de potentiel électrique constant, les chercheurs ont découvert des zones spécifiques sur la surface du graphène où l'énergie orbitale des électrons change d'un atome à l'autre. Cela crée un fossé énergétique dans des zones isolées à la surface.

"En examinant leur distribution sur la surface pour différents champs magnétiques, nous avons déterminé que l'écart énergétique est dû à une interaction subtile avec le substrat, qui se compose de graphène multicouche développé sur une plaquette de carbure de silicium, " D'abord expliqué.

Dans le graphène épitaxié multicouche, le sous-réseau symétrique de chaque couche est légèrement tourné par rapport au suivant. Dans les études antérieures, les chercheurs ont découvert que les rotations servaient à découpler les propriétés électroniques de chaque couche de graphène.

"Nos résultats contiennent les premières indications d'une petite interaction dépendante de la position entre les couches, " a déclaré David L. Miller, le premier auteur de l'article et un étudiant diplômé du laboratoire de First. "Cette interaction ne se produit que lorsque la taille d'une orbite cyclotron - qui se rétrécit à mesure que le champ magnétique augmente - devient plus petite que la taille des plaques observées."

On pense que l'origine de l'interaction dépendante de la position est le "motif moiré" des alignements atomiques entre deux couches adjacentes de graphène. Dans certaines régions, les atomes d'une couche se trouvent au sommet des atomes de la couche inférieure, tandis que dans d'autres régions, aucun des atomes ne s'aligne avec les atomes de la couche ci-dessous. Dans d'autres régions encore, la moitié des atomes ont des voisins dans la sous-couche, un cas dans lequel la symétrie des atomes de carbone est brisée et le niveau de Landau - niveau d'énergie discret des électrons - se divise en deux énergies différentes.

Expérimentalement, les chercheurs ont examiné un échantillon de graphène épitaxié cultivé à Georgia Tech dans le laboratoire du professeur Walt de Heer, en utilisant des techniques développées par son équipe de recherche au cours des dernières années.

Ils ont utilisé la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) sur mesure pour sonder la structure électronique à l'échelle atomique du graphène dans une technique connue sous le nom de spectroscopie à effet tunnel. La pointe a été déplacée sur la surface d'une section de 100 nanomètres carrés de graphène, et les données spectroscopiques ont été acquises tous les 0,4 nanomètres.

Les mesures ont été effectuées à 4,3 degrés Kelvin pour tirer parti du fait que la résolution en énergie est proportionnelle à la température. Le microscope à balayage à tunnel, conçu et construit par Joseph Stroscio au NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, utilisé un aimant supraconducteur pour fournir les champs magnétiques nécessaires à l'étude des orbites.

Selon First, l'étude soulève un certain nombre de questions pour de futures recherches, y compris comment les lacunes énergétiques affecteront les propriétés de transport des électrons, comment les effets observés peuvent avoir un impact sur les dispositifs cohérents de graphène bicouche proposés - et si le nouveau phénomène peut être contrôlé.

"Cette étude est vraiment un tremplin sur un long chemin pour comprendre les subtilités des propriétés intéressantes du graphène, ", a-t-il déclaré. "Ce matériau est différent de tout ce avec quoi nous avons travaillé auparavant en électronique."