روشی نو برای تغییر خواص الکترونی گرافین توسط تیمی به رهبری آندره گایم (Andre Geim) و کستیا نووسلوف (Kostya Novoselov) از دانشگاه منچستر کشف شده است. این فیزیک‌دانان نشان داده‌اند وقتی گرافین بر روی زیر‌لایه‌ی شش‌وجهی رشد می‌کند تغییر کوچکی در ساختار بلوری آن رخ داده و یک گاف در نوارهای انرژی الکترونی این ماده ایجاد می‌شود. این پژوهش‌گران به این نتیجه نیز دست یافته‌اند که گرافینی که به این طریق رشد کرده در ساختار جایگزینی نیز می‌تواند وجود داشته باشد که گاف نواری در آن بسیار کوچک‌تر است. این نتیجه اشاره دارد به روشی جدید برای کنترل خواص الکترونیکی قطعاتی که بر پایه‌ی گرافین ساخته می‌شوند.

گرافین شبکه‌ای لانه‌زنبوری از کربن است که تنها به اندازه‌ی یک اتم ضخامت دارد که اولین بار در سال ۲۰۰۴ توسط گایم و نووسلوف جداسازی شده است. گرافین به یُمن ویژگی‌های الکترونی شگفت‌انگیزِ خود بسیار مورد توجه بوده است. بسیاری از این ویژگی‌ها از این حقیقت ناشی می‌شود که گرافین نیم‌رسانایی است با گاف انرژی صفر بین نوارهای ظرفیت و رسانش. یک نتیجه‌ی مهم از چگونگی به‌هم پیوستن نوارها به همدیگر این است که الکترون‌ها از گرافین با سرعت‌های بسیار بالا عبور می‌کنند. این یعنی می‌توان از این ماده در ساخت قطعات الکترونیکی با سرعت بسیار بالا بهره برد.

اما یک مانع مهم وجود دارد: قطعات الکترونیکی همچون ترانزیستورها بر این واقعیت تکیه دارند که نیم‌رساناهایی مثل سیلیکون گاف نواری غیرصفر دارند. از این‌رو چالش اساسی پیش روی توسعه‌دهندگان چنان قطعاتی٬ ایجاد نسخه‌ی تغییر یافته‌ای از گرافین است که دارای گاف نواری باشد. هرچند طرح‌های مختلفی جستجو شده‌ (شامل اعمال یک میدان الکتریکی٬ افزودن ناخالصی‌های شیمیایی یا تغییر ساختار گرافین) اما هیچ‌یک به شکل ایده‌آل به اثبات نرسیده‌اند.

ابرشبکه‌های موئیر

در این مطالعه‌ی اخیری که تیم دانشگاه منچستر به انجام رسانده‌اند٬ به رشد گرافین بر روی نیترید بورِ شش‌وجهی (hBN) توجه شده که شبکه‌ای بسیار شبیه به شبکه‌ی گرافین دارد. وقتی این دو شبکه به روش‌های معینی روی هم قرار داده می‌شوند٬ یک ابرشبکه‌ی موئیر ایجاد می‌شود (شکل را ببینید). پتانسیل متناوب مربوط به این ابرشبکه موجب می‌شود تا تعدادی پدیده‌های الکترونی جالب و جدید در گرافین رخ دهد: همچون پروانه‌ی هافستادر ("Hofstadter's butterfly spotted in graphene" را ببینید).

اکنون این تیم «گذار متناسب-بی‌تناسب» "the commensurate–incommensurate transition" را به لیست پدیده‌های جالب اضافه کرده‌اند. در حالت گذار متناسب فاصله‌ی مابین اتم‌های کربن در گرافین حدود ۱.۸ درصد افزایش می‌یابد٬ بنابراین شبکه‌ی آن دقیقاً بر روی شبکه‌ی hBN منطبق می‌شود. این اتفاق وقتی می‌افتد که دو شبکه کمابیش در ساختار موئیر در یک ردیف قرار گیرند. اگر این جهت‌گیری به کوچکی یک درجه اختلاف داشته باشد٬ ساختار موردنظر در حالت بی‌تناسب قرار دارد که در آن گرافین فاصله‌ی اتمی طبیعی خود را اتخاذ می‌کند.

گروه فیزیک ماده چگال دانشگاه منچستر این‌گونه توضیح می‌دهد: «اگرچه چرخش یک ورقه‌ی گرافینی بر روی زیرلایه‌ی hBN بسیار دشوار است٬ ما با ساخت و آزمایش نمونه‌های بسیار که در زوایای مختلف تغییر می‌کنند به این مشکل غلبه کرده‌ایم».

سالیتون‌ها و کرنش

این تیم که پژوهش‌گرانی از چین٬ هلند٬ روسیه و ژاپن را دربر می‌گیرد٬ موفق شده‌اند تا از جایگاه حالات متناسب و بی‌تناسب بوسیله‌ی اندازه‌گیری کرنش در طول سطح گرافن نقشه‌برداری کنند. وودز (Woods) می‌افزاید: «در حالت متناسب٬ توزیع کرنش بسیار ناگهانی است، چون بایستی بین نواحی کشیده‌شده ]خاکستری/آبی[ شبکه‌ای از دیوارها وجود داشته باشد» ]که به رنگ زرد در شکل پایین نشان داده شده است[٬ که به سالیتون‌ها در یک‌بعد معروفند.

پس از آن این تیمِ پژوهشی به اندازه‌گیریِ خواص الکترونی نمونه‌های متناسب و بی‌تناسب پرداخته‌اند. در نمونه‌های متناسب٬ گاف نواری نسبتاً بزرگی نتیجه شد و در دومی گاف نواری کوچکتر. این تیم معتقد است که این موضوع می‌تواند توضیح دهد که چرا در نتایج مطالعات پیشین که بر روی گرافین روی hBN انجام شده اغلب مقادیر متناقضی برای گاف نواری حاصل می‌شده است.

علاوه بر این نتیجه که باعث می‌شود سردرگمی حول و حوش مقدار گاف نواری برطرف گردد٬ وودز معتقد است این تحقیق راهی نو و جذاب برای کنترل و تنظیم ریز ویژگی‌های الکترونی قطعات گرافن شناسایی کرده است.

این پژوهش در مجله‌ی (Nature Physics) انتشار یافته است.

منبع:

Lattice mismatch opens up a band gap in graphene

درباره‌ی نویسنده:

آنا دامینگ (Anna Demming) ویراستار آنلاین nanotechweb.org است.