Comprendre comment les électrons se déplacent dans les systèmes de matériaux en couches 2-D pourrait conduire à des développements dans l’informatique quantique et conversation.
Des chercheurs étudient deux configurations différentes de bicouche graphène —le bidimensionnel (2-D), atome -forme mince de carbone – ont des résonances intercouches électroniques et optiques reconnues. Au cours de ces états de résonance, les mauvaises particules rebondissent entre les deux plans atomiques de l’interface 2-D avec la même régularité. En caractérisant ces types d’états, ils ont découvert que la torsion entre les couches de graphène simplement de 30 degrés l’une par rapport à l’autre, au lieu de superposer les couches les unes sur les autres, décale la vibration à une puissance inférieure.
De ce résultat, qui vient d’être publié dans Lettres d’examen corporel , ils ont déduit que la distance entre les 2 couches a augmenté de manière significative dans la configuration torsadée, par rapport à une configuration empilée. Chaque fois que cette distance change, il en va de même pour les interactions intercouches, influençant exactement la façon dont les électrons se déplacent dans le système bicouche particulier. Une prise de conscience de ce mouvement d’électrons pourrait éclairer le style des futures technologies de désordre pour une informatique plus efficace et une communication plus protégée.
L’homme de science Jurek Sadowski (à gauche) et le postdoctorant Zhongwei Dai à l’installation Portion Material Press (QPress) du Middle for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory. La pièce circulaire supérieure peut être le robot QPress central, avec divers segments fixés sur les bords pour le recuit d’échantillons, le dépôt de film, le nettoyage de l’écran LCD et des exemples de bibliothèques. Le système QPress complet, encore en cours de développement, gérera l’empilement associé aux matériaux 2D directement dans des structures en couches ainsi que des propriétés exotiques relatives aux applications quantiques. Pointage de crédit : Laboratoire national de Brookhaven
« Les puces informatiques d’aujourd’hui dépendent de notre connaissance exacte de la façon dont les électrons se déplacent dans les semi-conducteurs, en particulier le silicium », a déclaré Zhongwei Dai, auteur principal et co-correspondant, postdoctorant dans l’équipe de technologie d’interface et de catalyse du Centre concernant les nanomatériaux fonctionnels (CFN) au Laboratoire national de Brookhaven du Département de l’énergie de l’UH (DOE). «Mais les propriétés physiques réelles du silicium atteignent une limite corporelle en termes de fabrication exacte de petits transistors et de nombre pouvant tenir sur la puce. Si nous pouvons comprendre comment les électrons procèdent à la petite plage de quelques nanomètres dans les dimensions réduites des matériaux 2D, nous pourrions avoir la possibilité de débloquer une autre façon d’utiliser les électrons pour la science de l’information sur les mess. ”
A quelques nanomètres, ou milliardièmes de mètre, les dimensions d’une stratégie matérielle sont comparables à celles de la longueur d’onde particulière des mauvaises particules. Lorsque les électrons sont généralement confinés dans une zone aux dimensions de la longueur d’onde, les propriétés électroniques et optiques du matériau changent. Ces types de résultats de confinement quantique sont le résultat d’un mouvement ondulatoire mécanique plutôt que d’un mouvement mécanisé classique, dans lequel les mauvaises particules se déplacent à travers un matériau et sont dispersées simplement par des défauts aléatoires.
(Dans le sens des aiguilles d’une montre de gauche à droite) Les membres de l’équipe Chang-Yong Nam, Jurek Sadowski, Zhongwei Dai, Samuel Tenney, Nikhil Tiwale et Ashwanth Subramanian à l’extérieur du Centre uniquement pour les nanomatériaux fonctionnels. Pointage de crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Avec cette recherche, le groupe a sélectionné un modèle de matériaux simple, le graphène, pour étudier les effets de confinement des portions, à l’aide de deux sondes différentes : les électrons et les photons (particules de lumière). Pour sonder chaque résonance électronique et optique, ils ont utilisé un substrat spécial sur lequel le graphène pourrait être transféré. L’auteur co-correspondant et l’interface utilisateur du CFN Jurek Sadowski, scientifique du groupe Science et Catalyse, avait précédemment conçu cette base pour la Quantum Materials Press (QPress). Le QPress particulier est un outil automatique en cours de développement dans l’installation de synthèse et de représentation de composants CFN pour l’activité, le traitement et la représentation de matériaux 2-D en couches. Traditionnellement, les chercheurs exfolient des « flocons » de matériaux 2D à partir de cristaux parents 3D (par exemple, du graphène à travers du graphite) sur un substrat de dioxyde de silicium d’une densité de plusieurs centaines de nanomètres. Cependant, cette base est isolante, et donc les stratégies d’interrogation basées sur les électrons ne fonctionnent pas. Par conséquent, Sadowski et le scientifique du CFN Chang-Yong Nam et Ashwanth Subramanian, étudiant diplômé de l’Université Stony Stream, ont transféré un niveau conducteur d’oxyde de titane de seulement trois nanomètres d’épaisseur sur le substrat de dioxyde de silicium.
“Cette couche sera suffisamment transparente en ce qui concerne la caractérisation optique et la détermination de la largeur des flocons exfoliés et des monocouches empilées tout en étant suffisamment conductrice pour les techniques de microscopie électronique ou de spectroscopie synchrotron”, a décrit Sadowski.
Au sein de l’équipe Charlie Johnson de l’Université associée à la Pennsylvanie – Rebecca W. Bushnell, professeur de physique et d’astronomie Steve Johnson, postdoctorant Qicheng Zhang et ancien postdoctorant Zhaoli Gao (maintenant professeur agrégé à l’Université de langue chinoise de Hong Kong) – s’est développé le graphène sur des feuilles métalliques et transféré sur la base d’oxyde de titane/dioxyde de silicium. Lorsque le graphène sera cultivé de cette manière, de nombreux trois domaines (couche unique, empilé et torsadé) sont présents.
(a) Schémas de la nouvelle configuration pour la propagation des électrons et des photons. (b) Un modèle atomique de la conception formée par la structure cristalline du graphène bicouche tourné (30°-tBLG). (c) Une image au microscope électronique à basse énergie d’une zone d’échantillon normale qui contient 30 °-tBLG, du graphène bicouche empilé (AB-BLG), plus du graphène monocouche (SLG). (d) Une conception de diffraction d’électrons à basse énergie sur une région de 30°-tBLG. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Ensuite, Dai et Sadowski ont conçu et réalisé des expériences au cours desquelles ils ont projeté de mauvaises particules dans le matériau à l’aide d’un microscope électronique à basse énergie (LEEM) et ont reconnu les mauvaises particules réfléchies. Ils ont également tiré des photons à partir d’un microscope optique à laser avec un spectromètre dans le matériau et ont analysé la gamme de lumière dispersée en retour. Ce microscope confocal Raman fait certainement partie du catalogueur QPress, qui, avec un logiciel d’analyse d’images, peut identifier les emplacements associés à des échantillons de zones de curiosité.
« Le microscope QPress Raman nous a permis d’identifier rapidement la zone d’essai cible, accélérant la recherche », a déclaré Dai.
Leurs propres résultats suggèrent que cet espacement entre les niveaux dans la configuration de graphène torsadé peut être augmenté de six pour cent conformément aux paramètres non torsadés. Des calculs effectués par des défenseurs de l’Université du récent Hampshire ont vérifié les actions électroniques de résonance initiales dans les paramètres tordus.
“Les appareils fabriqués à partir de graphène en rotation pourraient avoir des propriétés très intéressantes et inattendues en raison de l’espace intercalaire accru dans lequel les électrons peuvent se déplacer”, a déclaré Sadowski.
Ensuite, l’équipe peut fabriquer des appareils à l’aide du graphène torsadé. L’équipe travaillera également sur les premiers tests menés par le scientifique du CFN Samuel Tenney et les post-doctorants du CFN Calley Eads et Nikhil Tiwale pour explorer comment l’incorporation de différents matériaux dans la structure en couches influence ses propriétés électroniques et optiques.
« Dans cette recherche préliminaire, nous avons sélectionné le système de matériaux 2D le plus simple que nous puissions synthétiser et contrôler pour comprendre comment les électrons agissent », a déclaré Dai. «Nous prévoyons de poursuivre ces types de recherche fondamentale, en nous penchant, espérons-le, sur la façon de manipuler les composants pour le traitement quantique et les communications. ”
Cette étude a été financée par le bureau du DOE associé à la science et a utilisé les ressources du CFN et de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), tous deux du DOE Workplace of Science Consumer Facilities à Brookhaven. Le microscope LEEM fait partie de la station terminale de microscopie électronique à photoémission par rayons X (XPEEM)/LEEM de la ligne de lumière de spectroscopie électronique à NSLS-II ; le CFN particulier exploite cette station terminale particulière par le biais d’un accord d’utilisateur associé avec NSLS-II. Les autres organismes de financement sont la Nationwide Science Foundation, le Analysis Grant Council associé à la région de gestion spéciale de Hong Kong et l’Université de langue chinoise de Hong Kong.
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Atomiquement-mince, le graphène torsadé offre des propriétés uniques qui pourraient faire avancer le traitement quantique.
Référence : « Quantum-Well Bound States within Graphene Heterostructure Interfaces » par Zhongwei Dai, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel The. Tenney, Richard Meters. Osgood, Chang-Yong Nam, Jiadong Zang, Le. T. Charlie Manley et Jerzy To. Sadowski, le 20 août 2021, Mots d’examen physique .
DOI : 10. 1103/PhysRevLett. 127. 086805