Soepel zeilen voor elektronen in grafeen: vloeistofachtige stroming meten met een resolutie van nanometers

Natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben voor het eerst de vloeistofachtige stroom van elektronen in grafeen rechtstreeks gemeten met een resolutie van een nanometer. De resultaten verschijnen in het journaal Wetenschap Vandaag.

Grafeen, een atoomdikke laag koolstof gerangschikt in een honingraatpatroon, is een bijzonder zuivere elektrische geleider, waardoor het een ideaal materiaal is om elektronenstroom met zeer lage weerstand te bestuderen. Hier voegen onderzoekers opzettelijk onzuiverheden toe op bekende afstanden en ontdekken dat de elektronenstroom verandert van gasachtig naar vloeistofachtig naarmate de temperatuur stijgt.

“Alle geleidende materialen bevatten onzuiverheden en onvolkomenheden die de elektronenstroom blokkeren, wat weerstand veroorzaakt. Historisch gezien hebben mensen een benadering met een lage resolutie gekozen om te identificeren waar weerstand vandaan komt”, zegt Zach Krebs, een natuurkundestudent aan UW-Madison en co- hoofdauteur van de studie. “In deze studie stellen we ons voor hoe lading rond een onzuiverheid stroomt en zien we eigenlijk hoe die onzuiverheid stroom blokkeert en weerstand veroorzaakt, iets dat nog niet eerder is gedaan om gasachtige en vloeistofachtige elektronenstroom te onderscheiden.”

De resultaten hebben toepassingen bij de ontwikkeling van nieuwe materialen met een lage weerstand, waar elektrisch transport efficiënter zou zijn.

De studie gebruikte een techniek die bekend staat als scanning tunneling potentiometry (STP) en het 2D-materiaal grafeen. De onderzoekers introduceerden opzettelijk obstakels in het grafeen, op gecontroleerde afstanden, en voerden vervolgens een stroom over het blad uit. Met behulp van STP maten ze de spanning met nanometerresolutie op alle punten op het grafeen, waardoor een 2D-kaart van het elektronenstroompatroon werd geproduceerd (hogere spanning = meer elektronen). Ongeacht de afstand tussen de obstakels, de spanningsval door het kanaal was veel lager bij een hogere temperatuur (77 Kelvin) versus een lagere temperatuur (4 Kelvin), wat aangeeft dat er meer elektronen doorheen gingen (lagere weerstand).

“We hebben een kwantitatieve analyse gedaan [of the voltage map] en ontdekte dat bij de hogere temperatuur de weerstand veel lager is in het kanaal. De elektronen vloeiden vrijer en vloeiender,’ zegt Krebs. vloeistof.”

De rock en stream analogie

Bij temperaturen rond het absolute nulpunt gedragen elektronen in grafeen zich als een gas: ze diffunderen in alle richtingen en zullen eerder obstakels raken dan dat ze met elkaar interageren. De weerstand is hoger en de elektronenstroom is relatief inefficiënt.

Bij hogere temperaturen – 77 K, of minus 196 C – betekent het vloeistofachtige gedrag van elektronenstroom dat ze meer met elkaar in wisselwerking staan ​​dan dat ze obstakels raken, stromend als water tussen twee rotsen in het midden van een stroom. Het is alsof de elektronen informatie over het obstakel naar elkaar communiceren en om de rotsen heen leiden. De weerstand is lager en de elektronenstroom is efficiënter.

Voormalig UW-Madison-afgestudeerde student Wyatt Behn is een co-eerste auteur van deze studie, uitgevoerd in de groep van natuurkundeprofessor Victor Brar.