Verborgen transportroutes in grafeen bevestigd, wat de weg vrijmaakt voor apparaatontwerp van de volgende generatie

Elektronentransport in dubbellaags grafeen vertoont een uitgesproken afhankelijkheid van randtoestanden en een niet-lokaal transportmechanisme, volgens een onderzoek onder leiding van professor Gil-Ho Lee en Ph.D. kandidaat Hyeon-Woo Jeong van POSTECH’s Departement Natuurkunde, in samenwerking met Dr. Kenji Watanabe en Dr. Takashi Taniguchi van het Japanse National Institute for Materials Science (NIMS).

De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Dubbellaags grafeen, bestaande uit twee verticaal gestapelde grafeenlagen, kan extern aangelegde elektrische velden benutten om de elektronische bandafstand te moduleren – een eigenschap die essentieel is voor elektronentransport. Dit onderscheidende kenmerk heeft aanzienlijke aandacht getrokken vanwege zijn toekomstige rol in ‘valleytronics’, een opkomend paradigma voor gegevensverwerking van de volgende generatie.

Door te profiteren van de ‘vallei’, een kwantumtoestand in de energiestructuur van een elektron die functioneert als een discrete gegevensopslageenheid, maakt valleytronics een snellere, efficiëntere gegevensverwerking mogelijk dan conventionele elektronica of spintronica. Met zijn afstembare bandafstand vormt dubbellaags grafeen een fundamenteel platform voor geavanceerd Valleytronics-onderzoek en apparaatinnovatie.

Een centraal concept in de valleytronica is het ‘Valley Hall Effect (VHE)’, dat beschrijft hoe de elektronenstroom selectief wordt gekanaliseerd door discrete energietoestanden – bekend als ‘valleien’ – binnen een bepaald materiaal. Als gevolg hiervan ontstaat er een opmerkelijk fenomeen dat ‘niet-lokale weerstand’ wordt genoemd, waardoor meetbare weerstand wordt geïntroduceerd in gebieden waar geen gelijkstroom stroomt, zelfs als er geen geleidingspaden zijn.

Hoewel een groot deel van de huidige literatuur niet-lokale weerstand als definitief bewijs van de VHE beschouwt, stellen sommige onderzoekers dat onzuiverheden aan de rand van apparaten of externe factoren (zoals productieprocessen) ook de waargenomen signalen kunnen produceren, waardoor het debat over de oorsprong van VHE onopgelost blijft.

Om de definitieve bron van niet-lokale resistentie in dubbellaags grafeen vast te stellen, heeft het gezamenlijke POSCO-NIMS-onderzoeksteam een ​​grafeenapparaat met dubbele poort gefabriceerd, dat nauwkeurige controle van de bandafstand mogelijk maakt. Vervolgens vergeleken ze de elektrische eigenschappen van ongerepte, natuurlijk gevormde grafeenranden met die kunstmatig verwerkt met behulp van Reactive Ion Etching.

De bevinding onthulde dat niet-lokale weerstand in natuurlijk gevormde randen voldeed aan de theoretische verwachtingen, terwijl door etsen verwerkte randen niet-lokale weerstand vertoonden die deze waarden met twee ordes van grootte overschreed.

Deze discrepantie geeft aan dat de etsprocedure vreemde geleidende paden introduceerde die geen verband hielden met de VHE, waardoor werd verklaard waarom een ​​kleinere bandafstand was waargenomen bij eerdere metingen van dubbellaags grafeen.

“Het etsproces, een cruciale stap in de fabricage van apparaten, heeft onvoldoende aandacht gekregen, vooral wat betreft de impact ervan op niet-lokaal transport”, aldus Hyeon-Woo Jeong, de eerste auteur van het artikel.

“Onze bevindingen onderstrepen de noodzaak om deze overwegingen opnieuw te onderzoeken en bieden cruciale inzichten voor het bevorderen van het ontwerp en de ontwikkeling van Valleytronics-apparaten.”