Ilgas kelias iki grafeno pagrindu veikiančių prietaisų sukūrimo

Naujame straipsnyje, publikuotame prestižiniame žurnale „Nature Physics“, NIST mokslininkai taip pat atskleidžia, kad grafenas gali būti puiki terpė laidininkų ir izoliatorių tarpusavio sąveikoms tyrinėti naudojant skenuojantį tunelinį mikroskopą (STM). Pasak tyrėjų, geriausios grafeno savybės pasireiškia tik tada, kuomet jis yra izoliuojamas nuo aplinkos.

„Tam, kad iš grafeno išspaustume viską, kas geriausia, mes turime iki galo suprasti, kaip kinta šio darinio savybės, kuomet jis naudojamas realaus pasaulio aplinkoje, pavyzdžiui, kokiame nors įrenginyje, kur būtinas kontaktas su kitomis medžiagomis“.

Įprastiniai puslaidininkiniai lustai yra sudaryti iš pasikartojančių laidininko, puslaidininkio ir izoliatoriaus sluoksnių, šiek tiek primenančių sumuštinį. Tam, kad atliktų planuojamą eksperimentą, NIST tyrėjai pasigamino savos receptūros „sumuštinį“ iš vieno grafeno lakšto, laidininko ir juos skiriančio izoliatoriaus sluoksnio. Kuomet apačioje esantis laidininkas yra įkraunamas, jis indukuoja tokio paties dydžio tiktai priešingo ženklo krūvį grafene.

Pagal idėją, į pagalbą pasitelkę elektroninėms grafeno būsenoms jautrų STM, dėl didelio elektronų judrio mokslininkai turėjo išvysti kažką panašaus į neišraiškingą lygumą. Tačiau pasak NIST dirbančio Nikolajaus Žitenevo (Nikolai Zhitenev), pavyko pastebėti, jog izoliacinėmis savybėmis pasižyminčio padėklo elektrinio potencialo kitimas gerokai paveikė grafeno elektronus, sukurdamas potencines duobes, kurios sumažino šių judrį“.

Šis reiškinys ypač išryškėja, kuomet padėklas su grafeno sluoksniu paveikiamas stipriu magnetiniu lauku. Tada elektronai, jau ir taip sunkiai bepajudantys dėl sąveikos su padėklu, galiausiai pritrūksta energijos netgi įveikti varžą atstojančias kalvas ir tiesiog sukrenta į kvantinių taškų kišenes – nanometrų dydžio sritis, visomis kryptimis izoliuojančias elektrinius krūvius.

Bet ne visos naujienos yra blogos. Tiesioginė prieiga prie grafeno naudojant skenuojantį zondą leidžia nanoskopiniu lygiu tyrinėti kitas fizikines padėklo sąveikas – tai, kas vargu ar įmanoma su standartiniais puslaidininkiniais prietaisais, kuriose svarbūs pernašos sluoksniai yra giliai po paviršiumi.

„Paprastai mes negalima tyrinėti izoliatorių atominiu masteliu, – teigia NIST tyrėjai. – STM veikia uždarosios kilpos sistemos pagrindu, kuri palaiko pastovią tunelinę srovę koreguodama adatos atstumą iki bandinio. Kadangi izoliatoriumi srovė neteka, sistema vis artins adatą prie padėklo, kol galiausiai ši atsitrenks į paviršių. Grafenas mums leidžia priartėti prie padėklo medžiagos tiek, kad galime tyrinėti pastarosios elektrines savybes, kartu išlaikydami pakankamai didelį atstumą ir taip apsaugodami tiek prietaisą, tiek bandinį“.