Gelaagd grafeen met een twist toont unieke kwantumopsluiting in 2D

Wetenschappers die twee verschillende configuraties van dubbellaags grafeen bestuderen – de tweedimensionale (2D), atoomdunne vorm van koolstof – hebben elektronische en optische tussenlaagresonanties gedetecteerd. In deze resonantietoestanden stuiteren elektronen met dezelfde frequentie heen en weer tussen de twee atomaire vlakken in de 2D-interface. Door deze toestanden te karakteriseren, ontdekten ze dat het verdraaien van een van de grafeenlagen met 30 graden ten opzichte van de andere, in plaats van de lagen direct op elkaar te stapelen, de resonantie naar een lagere energie verschuift. Van dit resultaat, zojuist gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven, concludeerden ze dat de afstand tussen de twee lagen aanzienlijk toenam in de gedraaide configuratie, vergeleken met de gestapelde. Wanneer deze afstand verandert, veranderen ook de interacties tussen de lagen, die van invloed zijn op hoe elektronen bewegen in het dubbellaagse systeem. Een goed begrip van deze elektronenbeweging zou kunnen bijdragen aan het ontwerp van toekomstige kwantumtechnologieën voor krachtigere computers en veiligere communicatie.

“De computerchips van vandaag zijn gebaseerd op onze kennis van hoe elektronen bewegen in halfgeleiders, met name silicium”, zei eerste en co-corresponderende auteur Zhongwei Dai, een postdoc in de Interface Science and Catalysis Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) aan de Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). “Maar de fysieke eigenschappen van silicium bereiken een fysieke limiet in termen van hoe kleine transistors kunnen worden gemaakt en hoeveel er op een chip passen. Als we kunnen begrijpen hoe elektronen op de kleine schaal van enkele nanometers in de gereduceerde afmetingen van 2D-materialen, kunnen we misschien een andere manier ontsluiten om elektronen te gebruiken voor kwantuminformatiewetenschap.”

Op enkele nanometers, of miljardsten van een meter, is de grootte van een materiaalsysteem vergelijkbaar met die van de golflengte van elektronen. Wanneer elektronen worden opgesloten in een ruimte met afmetingen van hun golflengte, veranderen de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal. Deze kwantumbegrenzingseffecten zijn het resultaat van kwantummechanische golfachtige beweging in plaats van klassieke mechanische beweging, waarbij elektronen door een materiaal bewegen en worden verstrooid door willekeurige defecten.

Voor dit onderzoek selecteerde het team een ​​eenvoudig materiaalmodel – grafeen – om kwantumopsluitingseffecten te onderzoeken, door twee verschillende sondes toe te passen: elektronen en fotonen (lichtdeeltjes). Om zowel elektronische als optische resonanties te onderzoeken, gebruikten ze een speciaal substraat waarop het grafeen kon worden overgebracht. Co-corresponderende auteur en CFN Interface Science and Catalysis Group-wetenschapper Jurek Sadowski had dit substraat eerder ontworpen voor de Quantum Material Press (QPress). De QPress is een geautomatiseerd hulpmiddel in ontwikkeling in de CFN Materials Synthesis and Characterization Facility voor de synthese, verwerking en karakterisering van gelaagde 2D-materialen. Conventioneel exfoliëren wetenschappers 2D-materiaal “vlokken” van 3D-moederkristallen (bijvoorbeeld grafeen van grafiet) op een siliciumdioxidesubstraat van enkele honderden nanometers dik. Dit substraat is echter isolerend en daarom werken op elektronen gebaseerde ondervragingstechnieken niet. Dus, Sadowski en CFN wetenschapper Chang-Yong Nam en Stony Brook University afgestudeerde student Ashwanth Subramanian deponeerden een geleidende laag titaniumoxide van slechts drie nanometer dik op het siliciumdioxidesubstraat.

“Deze laag is transparant genoeg voor optische karakterisering en bepaling van de dikte van geëxfolieerde vlokken en gestapelde monolagen, terwijl ze geleidend genoeg is voor elektronenmicroscopie of op synchrotron gebaseerde spectroscopietechnieken”, legt Sadowski uit.

In de Charlie Johnson Group aan de Universiteit van Pennsylvania – Rebecca W. Bushnell hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde Charlie Johnson, postdoc Qicheng Zhang, en voormalig postdoc Zhaoli Gao (nu een assistent-professor aan de Chinese Universiteit van Hong Kong) – groeide het grafeen op metaalfolies en bracht het over op het titaniumoxide/siliciumdioxidesubstraat. Wanneer grafeen op deze manier wordt gekweekt, zijn alle drie de domeinen (enkellaags, gestapeld en gedraaid) aanwezig.

Vervolgens ontwierpen en voerden Dai en Sadowski experimenten uit waarbij ze met een lage-energie-elektronenmicroscoop (LEEM) elektronen in het materiaal schoten en de gereflecteerde elektronen detecteerden. Ze vuurden ook fotonen af ​​van een op laser gebaseerde optische microscoop met een spectrometer in het materiaal en analyseerden het spectrum van teruggestrooid licht. Deze confocale Raman-microscoop maakt deel uit van de QPress-catalogus, die samen met beeldanalysesoftware de locaties van interessante monstergebieden kan lokaliseren.

“De QPress Raman-microscoop stelde ons in staat om snel het doelmonstergebied te identificeren, wat ons onderzoek versnelde”, zei Dai.

Hun resultaten suggereerden dat de afstand tussen de lagen in de gedraaide grafeenconfiguratie met ongeveer zes procent toenam ten opzichte van de niet-gedraaide configuratie. Berekeningen door theoretici van de Universiteit van New Hampshire bevestigden het unieke resonerende elektronische gedrag in de gedraaide configuratie.

“Apparaten gemaakt van geroteerd grafeen kunnen zeer interessante en onverwachte eigenschappen hebben vanwege de grotere afstand tussen de lagen waarin elektronen kunnen bewegen”, zei Sadowski.

Vervolgens gaat het team apparaten maken met het gedraaide grafeen. Het team zal ook voortbouwen op de eerste experimenten die zijn uitgevoerd door CFN-stafwetenschapper Samuel Tenney en CFN-postdocs Calley Eads en Nikhil Tiwale om te onderzoeken hoe het toevoegen van verschillende materialen aan de gelaagde structuur de elektronische en optische eigenschappen ervan beïnvloedt.

“In dit eerste onderzoek hebben we het eenvoudigste 2D-materiaalsysteem gekozen dat we kunnen synthetiseren en controleren om te begrijpen hoe elektronen zich gedragen,” zei Dai. “We zijn van plan om door te gaan met dit soort fundamentele studies, hopelijk werpen we licht op het manipuleren van materialen voor kwantumcomputers en communicatie.”