Topologische condities in grafeen volgen

Wetenschappers hebben kunnen aantonen dat nanostructuren van grafeen kunnen worden gegenereerd door gedurende een paar jaar een nanogestructureerd siliciumcarbidekristal te gloeien. “Deze tweedimensionale, ruimtelijk sterk beperkte koolstofbanden vertonen zelfs bij kamertemperatuur een verdwijnend kleine elektrische weerstand. Ze zijn dus ballistisch”, legt prof. Dr. Christoph Tegenkamp, ​​hoofd van het lectoraat Solid Surfaces Analysis aan de Technische Universiteit Chemnitz uit. Iets soortgelijks gebeurt bijvoorbeeld niet met een uitgezette en perfect tweedimensionale laag grafeen.

Natuurkundigen van de Technische Universiteit Chemnitz, die samenwerkten met onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (Nederland), het Max Planck Instituut in Stuttgart en het MAX IV Laboratorium in Lund (Zweden), slaagden erin dit kwantumeffect beter te begrijpen. “We konden de exacte structuur van deze zogenaamde nanoribbons voor het eerst verifiëren met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop met een zeer hoge resolutie”, meldt promovendus Markus Gruschwitz van het lectoraat Solid Surfaces Analysis. Thi Thuy Nhung Nguyen, die ook haar doctoraalstudie op dit gebied afrondt, voegt eraan toe: “Samen met metingen van de scanning tunneling microscoop, kon de specifieke kwantumtoestand van dit systeem nu worden gelokaliseerd en met hoge resolutie spectroscopisch worden gemaakt.”

Voor een theoretische beschrijving van de elektronische structuur is het van belang dat de rand van de grafeennanostructuur een binding heeft met het substraat en de hierdoor veroorzaakte buiging een zogenaamd rekeffect veroorzaakt. Met dit model was het ook mogelijk om de spinpolarisatie van de migrerende elektronen te verklaren. “Deze verbuiging van de grafeenstructuur heeft een effect dat vergelijkbaar is met het effect dat anders alleen wordt aangetroffen in materialen met een sterke spin-orbit-koppeling. Interessant is dat grafeen zelf een verdwijnend kleine spin-orbit-interactie heeft”, zegt Tegenkamp.

De onderzoeksresultaten zijn gepresenteerd in de huidige uitgave van Nano Letters​ De auteurs van de studie zijn er zeker van dat het gebruik van gedefinieerde krommingen zal leiden tot nieuwe functionaliteiten in zogenaamd triviale structuren en materialen, en dat het onderzoeksveld van straintronica verder zal worden gevestigd.