Ce topographe STM à zoom avant montre l'un des trimères de cobalt placé sur le graphène pour la création de potentiels de Coulomb - des impuretés chargées - auxquels les électrons et les trous pourraient répondre. (Image reproduite avec l'aimable autorisation du groupe Crommie)
(Phys.org) -- Peut-être qu'aucun autre matériau ne suscite autant d'enthousiasme dans le monde de l'électronique que le graphène, des feuilles de carbone pur d'une épaisseur d'un seul atome à travers lesquelles les électrons peuvent courir à presque la vitesse de la lumière – 100 fois plus vite qu'ils ne se déplacent à travers le silicium. Super mince, super fort, superflexible et ultrarapide comme conducteur électrique, le graphène a été présenté comme un matériau miracle potentiel pour une multitude d'applications électroniques, à commencer par les transistors ultrarapides. Pour que le vaste potentiel du graphène soit pleinement exploité, cependant, les scientifiques doivent d'abord en savoir plus sur ce qui rend le graphène si super. Le dernier pas dans cette direction a été fait par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie à Berkeley.
Michael Crommie, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley, a dirigé une étude dans laquelle les premières observations directes à des longueurs microscopiques ont été enregistrées sur la façon dont les électrons et les trous réagissent à une impureté chargée - un seul potentiel de Coulomb - placé sur un dispositif à grille de graphène. Les résultats fournissent un support expérimental à la théorie selon laquelle les interactions entre les électrons sont essentielles aux propriétés extraordinaires du graphène.
« Nous avons montré que les électrons dans le graphène se comportent très différemment autour des impuretés chargées que les électrons dans d'autres matériaux, ", dit Crommie. « Certains chercheurs ont soutenu que les interactions électron-électron ne sont pas importantes pour les propriétés intrinsèques du graphène, tandis que d'autres ont soutenu qu'elles le sont. Nos toutes premières images de la façon dont les électrons ultra-relativistes se réorganisent en réponse à un potentiel de Coulomb sont du côté des interactions électron-électron qui sont un facteur important. »
Crommie est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette étude publiée dans la revue Nature Physics. L'article s'intitule « Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurety on graphene. » Les co-auteurs de cet article étaient Yang Wang, Victor Brar, Andrey Shytov, Qiong Wu, Guillaume Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl et Leonid Levitov.
Les feuilles de graphène sont composées d'atomes de carbone disposés en un réseau bidimensionnel à motifs hexagonaux, comme un nid d'abeille. Les électrons se déplaçant à travers ce réseau en nid d'abeille imitent parfaitement le comportement attendu de particules chargées hautement relativistes sans masse :pensez à un rayon de lumière qui est électriquement chargé. Parce que c'est le même comportement affiché par les électrons libres très relativistes, les porteurs de charge dans le graphène sont appelés "quasiparticules de Dirac, » d'après Paul Dirac, le scientifique qui a décrit le premier le comportement des fermions relativistes en 1928.
Il a été observé que la réponse des électrons ultrarelativistes dans le graphène aux potentiels de Coulomb créés par les trimères de cobalt était significativement différente de la réponse des électrons non relativistes dans les systèmes atomiques et d'impuretés traditionnels. (Image reproduite avec l'aimable autorisation du groupe Crommie)
« Dans le graphène, les électrons se comportent comme des fermions de Dirac sans masse, ", dit Crommie. « En tant que tel, la réponse de ces électrons à un potentiel de Coulomb devrait différer considérablement de la façon dont les électrons non relativistes se comportent dans les systèmes atomiques et d'impuretés traditionnels. Cependant, jusqu'à maintenant, de nombreuses prédictions théoriques clés pour ce système ultra-relativiste n'avaient pas été testées.
Travailler avec un microscope à effet tunnel (STM) spécialement équipé en ultra-vide, Crommie et ses collègues ont sondé des dispositifs à grille constitués d'une couche de graphène déposée sur des flocons de nitrure de bore qui étaient eux-mêmes placés sur un substrat de dioxyde de silicium, le plus courant des substrats semi-conducteurs.
« L'utilisation de nitrure de bore a considérablement réduit l'inhomogénéité de charge du graphène, nous permettant ainsi de sonder la réponse électronique intrinsèque du graphène aux impuretés chargées individuelles, ", dit Crommie. Dans cette étude, les impuretés chargées étaient des trimères de cobalt construits sur du graphène en manipulant atomiquement des monomères de cobalt avec la pointe d'un STM.
Le STM utilisé pour fabriquer les trimères de cobalt a également été utilisé pour cartographier (par la variation spatiale de la structure électronique du graphène) la réponse des quasiparticules de Dirac - à la fois semblables à des électrons et à des trous - au potentiel de Coulomb créé par les trimères. La comparaison de l'asymétrie électron-trou observée aux simulations théoriques a permis à l'équipe de recherche non seulement de tester des prédictions théoriques sur le comportement des fermions de Dirac près d'un potentiel de Coulomb, mais aussi pour extraire la constante diélectrique du graphène.
"Les théoriciens ont prédit que par rapport à d'autres matériaux, les électrons du graphène sont attirés dans une impureté chargée positivement soit trop faiblement, le régime sous-critique; ou trop fort, le régime supercritique, ", dit Crommie. « Dans notre étude, nous avons vérifié les prédictions pour le régime sous-critique et constaté que la valeur du diélectrique était suffisamment petite pour indiquer que les interactions électron-électron contribuent de manière significative aux propriétés du graphène. Cette information est fondamentale pour notre compréhension de la façon dont les électrons se déplacent à travers le graphène. »
