Grafeenonderzoek peilt naar nieuwe mogelijkheden voor elektronische technologieën

Een team van onderzoekers heeft onthuld dat sonic boom en Doppler-verschoven geluidsgolven kunnen worden gecreëerd in een grafeentransistor, wat nieuwe inzichten geeft in dit wereldberoemde materiaal en zijn potentieel voor gebruik in elektronische technologieën op nanoschaal.

Wanneer een politieauto op je af komt rijden en met loeiende sirene voorbij rijdt, kun je een duidelijke verandering in de frequentie van het sirenegeluid horen. Dit is het Doppler-effect. Wanneer de snelheid van een straalvliegtuig de snelheid van het geluid overschrijdt (ongeveer 760 mph), produceert de druk die het op de lucht uitoefent een schokgolf die kan worden gehoord als een luide supersonische dreun of donderslag; dit is het Mach-effect.

Wetenschappers van de universiteiten van Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster en Kansas hebben ontdekt dat een kwantummechanische versie van dit fenomeen optreedt in een elektronische transistor gemaakt van zeer zuiver grafeen. Hun nieuwe publicatie, Graphene’s niet-evenwichtsfermionen onthullen Doppler-verschoven magnetofononresonanties vergezeld van Mach-supersonische en Landau-snelheidseffecten, is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Grafeen is meer dan 100 keer sterker dan staal terwijl het extreem licht is, meer dan 100 keer beter geleidend dan silicium, en heeft de laagste elektrische weerstand bij kamertemperatuur van alle bekende materialen. Deze eigenschappen maken grafeen zeer geschikt voor een reeks toepassingen, waaronder coatings om aanraakschermen in telefoons en tablets te verbeteren en om de snelheid van elektronische circuits te verbeteren.

Het onderzoeksteam gebruikte sterke elektrische en magnetische velden om een ​​stroom elektronen te versnellen in een atomair dunne grafeenmonolaag die bestaat uit een hexagonaal rooster van koolstofatomen.

Bij een voldoende hoge stroomdichtheid, equivalent aan ongeveer 100 miljard ampère per vierkante meter die door de enkele atomaire laag koolstof gaat, bereikt de elektronenstroom een ​​snelheid van 14 kilometer per seconde (ongeveer 30.000 mph) en begint de koolstofatomen te schudden, dus het uitzenden van gekwantiseerde bundels geluidsenergie, akoestische fononen genaamd. Deze fonon-emissie wordt gedetecteerd als een resonante toename van de elektrische weerstand van de transistor; een supersonische hausse wordt waargenomen in grafeen.

De onderzoekers observeerden ook een kwantummechanische analoog van het Doppler-effect bij lagere stromen wanneer energetische elektronen springen tussen gekwantiseerde cyclotron-banen en akoestische fononen uitzenden met een Doppler-achtige up-shift of down-shift van hun frequenties, afhankelijk van de richting van het geluid golven ten opzichte van die van de versnellende elektronen.

Door hun grafeentransistor af te koelen tot vloeibare heliumtemperatuur, ontdekte het team een ​​derde fenomeen waarbij de elektronen met elkaar interageren via hun elektrische lading en “fononloze” sprongen maken tussen gekwantiseerde energieniveaus met een kritische snelheid, de zogenaamde Landau-snelheid.

Dr. Mark Greenway van Loughborough, een van de auteurs van het artikel, zei: “Het is fantastisch om al deze effecten tegelijkertijd in een grafeenmonolaag te observeren. Het is dankzij de uitstekende elektronische eigenschappen van grafeen die ons in staat stellen deze out-of- evenwichtsquantumprocessen in detail en begrijpen hoe elektronen in grafeen, versneld door een sterk elektrisch veld, verstrooien en hun energie verliezen.De Landau-snelheid is een kwantumeigenschap van supergeleiders en superfluïd helium. Het was dus bijzonder opwindend om een ​​soortgelijk effect te detecteren in de dissipatieve resonante magnetoweerstand van grafeen.”

De apparaten zijn gefabriceerd in het National Graphene Institute, University of Manchester.

Dr. Piranavan Kumaravadivel, die leiding gaf aan het ontwerp en de ontwikkeling van het apparaat, “de grote omvang en hoge kwaliteit van onze apparaten zijn de sleutel voor het observeren van deze verschijnselen. Onze apparaten zijn voldoende groot en zuiver dat elektronen bijna uitsluitend interageren met fononen en andere elektronen. We verwachten dat deze resultaten soortgelijke studies van niet-evenwichtsfenomenen in andere 2D-materialen zullen inspireren.Onze metingen tonen ook aan dat grafeenlagen van hoge kwaliteit zeer hoge continue stroomdichtheden kunnen dragen die die haalbaar zijn in supergeleiders.Grafeentransistors met hoge zuiverheid zouden toekomstige toepassingen kunnen vinden in elektronische vermogenstechnologieën op nanoschaal.”