De ontdekking van grafeenstapeling zou een nieuw tijdperk voor kwantumtoepassingen kunnen inluiden

Grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster, staat bekend om zijn uitzonderlijke eigenschappen: ongelooflijke sterkte (ongeveer 200 keer sterker dan staal), lichtgewicht, flexibiliteit en uitstekende geleiding van elektriciteit en warmte. Deze eigenschappen hebben grafeen steeds belangrijker gemaakt in toepassingen op verschillende gebieden, waaronder elektronica, energieopslag, medische technologie en, meest recentelijk, kwantumcomputers.

Het is bekend dat de kwantumeigenschappen van grafeen, zoals supergeleiding en ander uniek kwantumgedrag, ontstaan ​​wanneer atomaire lagen van grafeen met precisie worden gestapeld en gedraaid om ‘ABC-stapeldomeinen’ te produceren. Historisch gezien vereiste het bereiken van ABC-stapeldomeinen het exfoliëren van grafeen en het handmatig draaien en uitlijnen van lagen met exacte oriëntaties – een zeer ingewikkeld proces dat moeilijk op te schalen is voor industriële toepassingen.

Nu hebben onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering onder leiding van Elisa Riedo, Herman F. Mark hoogleraar in chemische en biomoleculaire engineering, een nieuw fenomeen ontdekt in grafeenonderzoek, waarbij ze door groei geïnduceerde zelfgeorganiseerde ABA- en ABC-stapeldomeinen observeren die de ontwikkeling van beginnen met de ontwikkeling van geavanceerde kwantumtechnologieën.

De bevindingen, gepubliceerd in een recente studie in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen laten zien hoe specifieke stapelopstellingen in drielaagse epitaxiale grafeensystemen op natuurlijke wijze ontstaan, waardoor de behoefte aan complexe, niet-schaalbare technieken wordt geëlimineerd die traditioneel worden gebruikt bij de vervaardiging van grafeendraaiingen.

Deze onderzoekers, waaronder Martin Rejhon, voorheen postdoctoraal onderzoeker aan de NYU, hebben nu de zelfassemblage van ABA- en ABC-domeinen waargenomen binnen een drielaags epitaxiaal grafeensysteem gegroeid op siliciumcarbide (SiC). Met behulp van geavanceerde geleidende atomaire krachtmicroscopie (AFM) ontdekte het team dat deze domeinen op natuurlijke wijze ontstaan, zonder de noodzaak van handmatig draaien of uitlijnen. Deze spontane organisatie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de fabricage van grafeenstapeldomeinen.

De grootte en vorm van deze stapeldomeinen worden beïnvloed door het samenspel van spanning en de geometrie van de drielaagse grafeengebieden. Sommige domeinen vormen streepachtige structuren, tientallen nanometers breed en zich uitstrekkend over microns, wat veelbelovend potentieel biedt voor toekomstige toepassingen.

“In de toekomst zouden we de grootte en locatie van deze stapelpatronen kunnen controleren door middel van voorgroeipatronen van het SiC-substraat”, zei Riedo.

Deze zelf-geassembleerde ABA/ABC-stapeldomeinen zouden kunnen leiden tot transformatieve toepassingen in kwantumapparaten. Hun streepvormige configuraties zijn bijvoorbeeld zeer geschikt voor het mogelijk maken van onconventionele kwantum-Hall-effecten, supergeleiding en ladingsdichtheidsgolven. Dergelijke doorbraken maken de weg vrij voor schaalbare elektronische apparaten die gebruik maken van de kwantumeigenschappen van grafeen.

Deze ontdekking markeert een grote sprong voorwaarts in het grafeenonderzoek, waardoor wetenschappers dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van dit opmerkelijke materiaal in de volgende generatie elektronica en kwantumtechnologieën komen.