Nabijheidscreening duwt grafeen elektronische kwaliteit om niveaus te registreren

In een nieuwe Natuur Studie, onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben ongekend elektronische kwaliteit in grafeen Door een nabijheidsscreeningstechniek te ontwikkelen die poorten plaatst op slechts één nanometer verwijderd van het koolstofrooster.

Al tientallen jaren hebben halfgeleider heterostructuren op basis van galliumarsenide het veld gedomineerd van hoogwaardige tweedimensionale elektronsystemen, waardoor transportmobiliteit wordt bereikt tot 5,7 × 10⁷ cm² V^-1 S^-1. Ondanks de theoretische superioriteit van Graphene en de unieke fysica van massaloze Dirac -elektronen, hebben praktische apparaten consequent ondertast.

Phys.org sprak met de hoofdauteur van de studie, Daniil Domaretskiy, een onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Manchester.

“Voor natuurkundigen die werken met tweedimensionale materialen, zijn halfgeleidersystemen zoals galliumarsenide al tientallen jaren de regerende kampioenen van elektronische kwaliteit”, zei hij.

“Grafeen, met zijn unieke Dirac -elektronen en ongelooflijk theoretisch potentieel, is altijd een fascinerend materiaal geweest, maar in de praktijk zijn de prestaties tegengehouden door onvermijdelijke stoornis en elektrische ‘plassen’ die de stroom van elektronen verstoren.”

De nabijheidscreeningoplossing

De aanpak van het team concentreert zich op de proximity -screening. Deze techniek maakt gebruik van basiselektrostatische principes om ladinginhomogeniteit aanzienlijk te verminderen.

Door een atomisch plat grafietkristal extreem dicht bij de grafeenlaag te plaatsen, gescheiden door slechts drie tot vier atomaire lagen zeshoekige boornitride (ongeveer één nanometer), creëerden de onderzoekers een omgeving waar elektrische storingen effectief worden geannuleerd.

“Het mechanisme is gebaseerd op een klassiek elektrostatisch principe: beeldkosten,” legde Domaretskiy uit.

“Onze grafietpoort werkt op precies dezelfde manier, maar met extreme efficiëntie omdat het zo dicht bij het grafeen ligt. De belangrijkste bron van wanorde in grafeenapparaten van hoge kwaliteit wordt beschouwd als een willekeurige achtergrond van geladen onzuiverheden in de omringende omgeving, dat een hobbelig elektrisch landschap van elektrisch landschap creëert.”

Het grafietkristal werkt als een poort, een elektrode die helpt de elektrische omgeving rond het grafeen te regelen. Wanneer een geladen onzuiverheid een stoornis creëert, genereert de nabijgelegen geleidingspoort een tegenovergestelde “beeldlading” die de verstoring ophaalt.

“Dit ultra-flat landschap stelt elektronen in staat om ballistisch te reizen over zeer lange afstanden zonder zich te verspreiden,” zei Domaretskiy. De verbetering vertaalt zich in ongeveer één resterende lading per tien miljard koolstofatomen in een typisch apparaat.

Hoe dichter de poort, hoe effectiever deze screening wordt. Bij de one-nanometer scheiding die het team heeft bereikt, vermindert deze screening ladinginhomogeniteit met twee orden van grootte. Dit vertegenwoordigt een reductie van typische waarden van ongeveer 2 x 10⁹ cm^-2 tot ongeveer 3 × 10⁷ cm^-2.

Superieure prestaties

De proximiteitscreeningstechniek leverde meerdere prestatierecords op. De kwantummobiliteit bereikte ongeveer 10⁷ cm² v⁻¹ S⁻¹, terwijl transportmobiliteit meer dan 2,5 × 10 overschreed⁷ cm² v^-1 S^-1 bij lage draagdichtheden. In het ladingsneutrale regime, waar elektronen en gaten naast elkaar bestaan ​​in een “Dirac-plasma”, overtrof mobiliteit 10⁸ cm² V^-1 S^-1.

De verbeterde kwaliteit maakte kwantumfenomenen op magnetische velden mogelijk zo laag als één millitesla, die vergelijkbaar is met het magnetische veld van de aarde. Shubnikov-de Haas-oscillaties, handtekeningen van Landau-kwantisatie, werden zichtbaar op deze ultra-lage velden, vergeleken met de honderden millitesla die meestal vereist zijn in conventionele grafeenapparaten.

“Dit resultaat is belangrijk omdat het de positie van Graphene in de hiërarchie van kwantummaterialen fundamenteel verandert,” merkte Domaretskiy op. “State-of-the-art ingekapseld grafeen vereist meestal magnetische velden van enkele honderd millitesla om duidelijke tekenen van Landau-kwantisatie te vertonen.”

Het behoud van de fysica van het kwantum veel lichaam

Een cruciale bezorgdheid over de nabijheidscreening was of het onderdrukken van interacties op lange afstandsinteracties belangrijke kwantums-fenomenen van het lichaam zou kunnen elimineren, zoals het fractionele kwantumhal-effect. De onderzoekers ontdekten dat hoewel energiekloven werden verminderd met een factor drie tot vijf, fractionele Quantum Hall -toestanden duidelijk waarneembaar bleven.

“Dit was een zeer belangrijke cheque voor ons”, zei Domaretskiy. “Proximiteitsscreening is een krachtig hulpmiddel, maar het is ook een beetje een bot instrument. Het screent langeafstandselektrostatische krachten-zowel de ongewenste van verdwaalde onzuiverheden als de cruciale elektronen-elektroneninteracties die aanleiding geven tot enkele van de meest fascinerende fysica.”

Het behoud van deze kwantumtoestanden treedt op omdat screening van de nabijheid voornamelijk de interacties over afstanden langer dan ongeveer tien nanometer beïnvloedt, terwijl de relevante fysica op kortere lengteschalen in sterke magnetische velden optreedt.

Bredere implicaties

Het onderzoek opent meerdere onderzoeksmogelijkheden. Het ultra-clean platform zou nieuwe, fragiele kwantumstaten kunnen onthullen die eerder door wanorde zijn gemaskeerd. De techniek is niet beperkt tot grafeen met één laag en kan andere tweedimensionale systemen, meerlagige en gedraaide superroosters verbeteren.

“We kunnen nu screening gebruiken als hulpmiddel om opzettelijk elektroneninteracties af te stemmen”, legt Domaretskiy uit. “We hebben dit al aangetoond door een ‘spiraalvormige’ Quantum Hall -toestand te observeren – een type topologische isolator – op magnetische velden meer dan een orde van grootte lager dan eerder vereist.”

Het onderzoek stelt de nabijheid van de nabijheid tot stand als een algemene strategie voor het verbeteren van de elektronische kwaliteit in tweedimensionale materialen, die mogelijk van invloed zijn op de kwantumelektronica en het mogelijk maken van nieuwe benaderingen van kwantum computing, hoogfrequente elektronica en precisie-metrologie.