(À gauche) Structure de nanodispositif pour mesurer les propriétés électroniques du graphène. Le graphène est pris en sandwich entre deux couches de hBTN et les deux électrodes (graphite et silicium). (À droite) Conductance du graphène monocouche à différentes tensions, montrant le creux à environ 350 mV. Crédit : Institut des sciences fondamentales
La structure électronique inhabituelle du graphène permet à ce matériau extraordinaire de battre de nombreux records de force, conduction électrique et thermique. Physiciens du Centre de Physique Théorique des Systèmes Complexes (PCS), en collaboration avec le Research Institute for Standards and Science (KRISS), utilisé un modèle pour expliquer la structure électronique du graphène mesurée par une nouvelle plate-forme spectroscopique. Ces techniques, publié dans la revue Lettres nano , pourrait promouvoir de futures recherches sur des mesures quantiques stables et précises pour la nouvelle électronique 2-D.
Récemment, l'intérêt pour les matériaux 2-D a augmenté de façon exponentielle dans les universités et l'industrie. Ces matériaux sont constitués de feuilles extrêmement fines, qui ont des propriétés physiques différentes par rapport aux matériaux 3-D conventionnels. De plus, lorsque différentes feuilles 2D sont empilées les unes sur les autres, nouvelle électricité, optique, et les propriétés thermiques émergent. L'un des matériaux 2D les plus prometteurs et les plus étudiés est le graphène :une feuille unique d'atomes de carbone. Afin d'étudier les propriétés électroniques du graphène simple et double couche, l'équipe a construit un nanodispositif avec du graphène pris en sandwich entre deux couches d'un matériau isolant appelé nitrure de bore hexagonal (hBN). Au-dessus de cet appareil, ils ont placé du graphite comme électrode. Le graphite est essentiellement constitué de centaines de milliers de couches de graphène. La couche inférieure était constituée d'une couche de silicium et d'une couche de silice.
En accordant les tensions appliquées via le graphite et le silicium, les scientifiques ont mesuré les changements dans la conductance du graphène, qui reflète ses propriétés électroniques. Les électrons du graphène ont une structure énergétique particulière, représenté par le cône dit de Dirac, qui est en fait constitué de deux cônes qui ressemblent à un sablier, avec seulement un point infiniment petit entre les deux (Point Dirac). Vous pouvez le considérer comme un verre à cocktail inhabituel en forme de sablier, où la boisson joue le rôle des électrons du graphène. A température proche de zéro Kelvin (-273 degrés Celsius), les électrons se regroupent dans les états d'énergie disponibles les plus bas et remplissent le verre à double cône de bas en haut, jusqu'à un certain niveau d'énergie, appelé niveau de Fermi, est atteint. Appliquer une tension négative via les couches de silicium et de graphite équivaut à boire au verre, tandis qu'une tension positive a le même effet que l'ajout de liquide dans le verre. En modulant les tensions appliquées, les scientifiques ont pu déduire la structure électronique du graphène en suivant le niveau de Fermi. En particulier, ils ont remarqué que lorsque la tension appliquée au graphite est d'environ 350 milliVolts, il y a un creux dans la mesure de conductance, par lequel le niveau de Fermi correspond au point de Dirac. C'est une propriété bien connue du graphène monocouche.
Structure électronique du graphène représentée par le cône de Dirac. En utilisant la métaphore d'un verre à cocktail en forme de sablier, les différences dans les structures électroniques sont représentées comme le remplissage du verre par un liquide fait d'électrons. Appliquer une tension négative équivaut à boire, et une tension positive pour remplir le verre avec plus de liquide (=électrons). Le niveau de Fermi est le niveau maximum où vous pouvez trouver des électrons, tandis que la partie la plus fine du sablier est appelée pointe de Dirac. Crédit :Freepiks
Finalement, les propriétés électriques changent à nouveau lorsqu'un champ magnétique est appliqué au graphène monocouche. Dans ce cas, au lieu d'un verre à cocktail sablier, l'énergie des électrons est plus semblable à une échelle où des électrons d'énergies croissantes peuvent être trouvés sur les échelons supérieurs. Les espaces entre les barreaux de l'échelle sont dépourvus d'électrons, tandis que les marches se remplissent d'électrons de bas en haut. De façon intéressante, les données obtenues par les scientifiques de KRISS ont été reproduites avec succès par les physiciens théoriciens de l'IBS ont montré plus de 40 échelons, techniquement connu sous le nom de niveaux de Landau. Chaque niveau se distingue clairement en raison du faible bruit de fond.
En effet, les scientifiques pourraient également faire correspondre les données théoriques et expérimentales relatives aux propriétés électroniques du graphène bicouche. Graphène double couche, a un comportement de conductance différent avec un creux plus large, mieux connu sous le nom de gap énergétique. En présence d'un champ électrique perpendiculaire à celui-ci, cet écart énergétique rend le graphène à double couche plus similaire aux semi-conducteurs accordables actuels. « Nous avons utilisé un modèle intuitif pour reproduire la mesure expérimentale et nous avons donné une explication théorique des raisons pour lesquelles ces configurations énergétiques se forment avec du graphène simple et double couche, " explique MYOUNG Nojoon, premier co-auteur de cette étude. "Ce modèle fournit une jauge entre les tensions et l'énergie dans les mesures spectroscopiques, et nous pensons qu'il s'agit d'une étape fondamentale pour approfondir l'étude des propriétés électroniques du graphène."
Graphène monocouche en (a-c) et sans (b-d) la présence d'un champ magnétique perpendiculaire (1 Tesla). Le modèle théorique (c-d) obtenu par les scientifiques de l'IBS, correspondent parfaitement aux données expérimentales (a-b). En présence d'un champ magnétique, les électrons ne peuvent occuper que certains niveaux d'énergie. Les bandes représentent les niveaux d'énergie où les électrons sont ou ne sont pas autorisés :les électrons ne sont autorisés à rester que dans les bandes lumineuses (techniquement connues sous le nom de niveaux de Landau).
