Plaattina peale kasvatud grafeenikiht avab tee viisile, kuidas igapäeva rakendustes kontrollida grafeeni elektroonilisi omadusi.
Just siis kui oleks võinud juba arvata, et grafeeni võrratute omaduste loetelule võiks joone alla tõmmata, suutsid USA teadlased leida imematerjalil veel ühe uue omaduse. Omaduse, mis võiks eriti rõõmustada elektroonikaga tegelevaid insenere, kellele meeldib ülitugevate magnetväljadega mängida.
Grafeenist nanomullid STM-i (Scanning tunneling microscope) all. Eri värvid märgivad nanomulli kõrgust plaattinakristalli pinnast. Foto:Courtesy: Crommie labor, UC Berkeley
Selgus, et grafeen võib teatud deformatsiooni korral väga edukalt matkida magnetvälja kasulikke omadusi, mis annab uue mooduse ülimaterjali elektrooniliste omaduste kontrollimiseks. Juba kuus aastat tuntud materjal hakkab tulevikus väga tõenäoliselt asendama ränipõhiseid elektroonikaseadmeid ning võimaldab ka näiteks ülikiirete transistorite ehitust. Kuigi grafeen on väga heade juhi omadustega, polnud senini suudetud leida viisi, kuidas kontrollida materjalisiseste elektronide käitumist.
Michael Crommie üritas koos oma kolleegidega California ülikoolist ja Lawrence Berkley laboratooriumist kasvatada kõrgel temperatuuril plaattinakristalli pinnale ühe aatomi paksust grafeeni kihti. Eksperimendi käigus selgus aga, et kuusnurgakujuliselt organiseerunud süsiniku aatomid ei sobi kolmnurgakujulise plaattina struktuuriga päris hästi kokku.
“Kui me jahutasime asjad maha, avastasime me väikesed grafeeni sisse tekkinud mullikesed,” ütles Crommie. Nimelt tõmbub plaattina jahtumisel rohkem kokku kui grafeen ning tõmbab seega grafeeni kolmest eri suunast. Tekivad 4-10 nanomeetri laiused ning paari nanomeetri kõrguste tetraeedrikujulised struktuurid.
Veidra kuju tekitab kummaline pseudomagnetväljaks kutsutav kvantefekt, mida saab kasutada materjali juhtivuse kontrollimiseks. ‘Välja’ sisse lõksu jäänud elektronid liiguvad väga väikestes ringides, nagu oleks neid paljastatud päris magnetväljale. Ringid on niivõrd väikesed, et sunnivad elektrone võtma pigem diskreetseid Landau-nimelisi energiatasemeid harilike mitmete eri tasemete asemel.
Crommie eksperimendi käigus küündis magnetvälja tugevus üle 300 tesla, mis on tunduvalt tugevam, kui laboritingimustes traditsiooniliselt võimalik saavutada oleks. Või ohutu. Impulssrežiimis on elektromagnetmähiste abil võimalik saavutada 100 teslase tugevusega välju, kuid ainult sekundi murdosaks. Tugevam magnetväli tekitaks juba plahvatuse. Stabiilsete magnetväljade tugevused on sellest veel kolm korda nõrgemad.
Crommie sõnade kohaselt võib elektronide nanomullides diskreetsetele energiatasemetele viimisel olla praktilised rakendused·: “See näitab meile eksperimentaalselt täiesti uut viisi, kuidas grafeeni elektroonilisi omadusi kontrollida.” Tulevikus on võib-olla võimalik grafeeni lehti piisava täpsusega valmistada, et kontrollida mullide täpset asukohta ning seega ka grafeeni juhtivust.
Fenomeni eksperimentaalne kinnitus tuli vaid pelgalt paar kuud pärast seda, kui Suurbritannia töörühm nähtust etteennustava teoreetilise raamistiku lõi. Andre Geimi jaoks, kes grafeeni 2004. aastal avastas ning ka praegu teoreetikute töörühma kuulus, ületas leid ootusi. “Me lootsime, et deformatsioone kasutades suudame me luua umbes kümne tesla tugevusi magnetvälju. Kuigi see on teooriaga kooskõlas, ületas 300 teslat meie suurimaid unistusi,” ütles Geim Physicsworld.com-le.
Deformatsioonide kasutamine võib tema sõnul grafeeni elektrooniliste omadustega võrratuid asju teha, “ent tuleb veel palju samme astuda, enne kui ‘deformatroonika’ praktilisteks rakendusteks piisavalt elujõuline on.”
California töörühm üritab aga leida viise, kuidas nanomulle paremini kontrollida ja häälestada·:”Me tahame teada, mida elektronid nanomullides täpselt teevad ja kuidas need erinevates keskkondades käituvad,” ütles Crommie.
Crommie töörühma uurimus ilmus 30.juulil ajakirjas Science.
Allikas:
UC Berkley:“Graphene exhibits bizarre new behavior well-suited to electronic devices.”
Loe lisaks:
Physicsworld: “‘Straintronics’ debuts in graphene”