ทำความเข้าใจการต่อต้านแบบ Nonlocal ใน Bilayer Graphene

การศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน จดหมายนาโน ให้ความกระจ่างใหม่เกี่ยวกับพฤติกรรมที่ซับซ้อนของการขนส่งอิเล็กตรอนในกราฟีนแบบ bilayer โดยเน้นบทบาทที่สำคัญของสถานะขอบและกลไกการขนส่งที่ไม่ใช่แบบท้องถิ่นที่เป็นเอกลักษณ์

ดำเนินการโดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Pohang (POSTECH) และสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติของญี่ปุ่น (NIMS) การค้นพบนี้นำเสนอข้อมูลเชิงลึกที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจของวัสดุนี้

การศึกษานี้นำโดยศาสตราจารย์ Gil-Ho Lee และปริญญาเอก ผู้สมัคร Hyeon-Woo Jeong จากภาควิชาฟิสิกส์ของ POSTECH ร่วมกับ Dr. Kenji Watanabe และ Dr. Takashi Taniguchi จาก NIMS

กราฟีนแบบ Bilayer ประกอบด้วยกราฟีนสองชั้นที่ซ้อนกัน สามารถใช้สนามไฟฟ้าภายนอกเพื่อปรับช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับการขนส่งอิเล็กตรอน คุณลักษณะเฉพาะนี้ได้รับความสนใจจากการใช้งานที่มีศักยภาพใน “valleytronics” ซึ่งเป็นสาขาที่มีแนวโน้มสำหรับการประมวลผลข้อมูลรุ่นต่อไป Valleytronics ใช้ประโยชน์จาก “หุบเขา” ซึ่งเป็นสถานะควอนตัมภายในโครงสร้างพลังงานของอิเล็กตรอนที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยจัดเก็บข้อมูลแยกกัน แนวทางนี้ช่วยให้สามารถจัดการข้อมูลได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือสปินทรอนิกแบบเดิม ช่องว่างแถบความถี่ที่ปรับได้ของกราฟีนแบบสองชั้นทำให้กราฟีนเป็นแพลตฟอร์มสำคัญสำหรับการพัฒนาการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ของ Valleytronics

หลักการพื้นฐานของ Valleytronics คือ 'Valley Hall Effect (VHE)' ซึ่งควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนผ่านสถานะพลังงานที่แตกต่างกัน – เรียกว่า “หุบเขา” – ในวัสดุ สิ่งนี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “ความต้านทานที่ไม่ใช่เฉพาะจุด” ซึ่งสร้างความต้านทานที่วัดได้ในพื้นที่ที่ไม่มีกระแสไฟฟ้ากระแสตรง แม้ว่าจะไม่มีเส้นทางการนำไฟฟ้าก็ตาม

แม้ว่าการต้านทานที่ไม่ใช่ในท้องถิ่นจะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหลักฐานของ Valley Hall Effect นักวิจัยบางคนแย้งว่าสิ่งเจือปนที่ขอบของอุปกรณ์หรืออิทธิพลภายนอก เช่น เทคนิคการผลิต อาจเป็นสาเหตุของสัญญาณที่สังเกตได้เช่นกัน สิ่งนี้นำไปสู่การถกเถียงอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับต้นกำเนิดของ VHE

เพื่อระบุแหล่งที่มาที่แม่นยำของการต้านทานแบบ nonlocal ในกราฟีนแบบสองชั้น ทีมวิจัยจาก POSCO และ NIMS ได้พัฒนาประตูคู่ อุปกรณ์กราฟีน ช่วยให้สามารถควบคุมช่องว่างของแถบความถี่ได้ จากนั้นพวกเขาจึงเปรียบเทียบคุณสมบัติทางไฟฟ้าของขอบกราฟีนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติกับคุณสมบัติที่ผ่านกระบวนการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา–

ผลการวิจัยพบว่าความต้านทานที่ไม่ใช่เฉพาะที่ที่ขอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาตินั้นสอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี ในขณะที่ขอบที่แกะสลักไว้แสดงค่าความต้านทานที่เกินกว่าการคาดการณ์เหล่านี้ด้วยขนาดสองลำดับความสำคัญ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการแกะสลักได้แนะนำเส้นทางการนำไฟฟ้าเพิ่มเติมที่ไม่เกี่ยวข้องกับ Valley Hall Effect ซึ่งชี้แจงว่าเหตุใดการศึกษาก่อนหน้านี้ของกราฟีน bilayer จึงบันทึกช่องว่างของแถบความถี่ที่ลดลง

กระบวนการแกะสลักซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ ยังไม่ได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดเพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับผลกระทบต่อการขนส่งนอกพื้นที่ การค้นพบของเราเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการตรวจสอบการพิจารณาเหล่านี้อีกครั้ง และนำเสนอข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญสำหรับการออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์ Valleytronics ที่ก้าวหน้า–

Hyeon-Woo Jeong ผู้เขียน Study First มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Pohang

งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากมูลนิธิการวิจัยแห่งชาติเกาหลี (NRF) กระทรวงวิทยาศาสตร์และไอซีที สถาบันการวางแผนและประเมินผลเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร (IITP) สำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศ (AFOSR) สถาบันเพื่อ Basic Science (IBS), Samsung Science & Technology Foundation, Samsung Electronics Co., Ltd., Japan Society for the Promotion of Science (JSPS KAKENHI) และ World Premier International Research Center Initiative (WPI)

อ้างอิงวารสาร:

‌จอง เอช.-ดับเบิลยู. และคณะ– (2024) การพึ่งพาขอบของการขนส่งนอกพื้นที่ใน Gapped Bilayer Graphene จดหมายนาโน– doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02660–