Плавное движение электронов в графене: измерение жидкообразного потока с нанометровым разрешением.
Физики из Университета Висконсин-Мэдисон впервые напрямую измерили текучий поток электронов в графене с нанометровым разрешением. Результаты опубликованы сегодня в журнале Science.
Графен, лист углерода толщиной в атом, расположенный в виде сот , представляет собой особенно чистый электрический проводник, что делает его идеальным материалом для изучения потока электронов с очень низким сопротивлением. Здесь исследователи намеренно добавляют примеси на известных расстояниях и обнаруживают, что поток электронов меняется от газообразного к жидкообразному по мере повышения температуры.
«Все проводящие материалы содержат примеси и несовершенства, которые блокируют поток электронов, что вызывает сопротивление. Исторически сложилось так, что люди применяли подход с низким разрешением для определения источника сопротивления», — говорит Зак Кребс, аспирант физики Университета Вашингтона в Мэдисоне и соавторы. ведущий автор исследования. «В этом исследовании мы изображаем, как заряд течет вокруг примеси, и на самом деле видим, как эта примесь блокирует ток и вызывает сопротивление, чего раньше не делали, чтобы различать газоподобный и жидкообразный потоки электронов».
Результаты найдут применение в разработке новых материалов с низким сопротивлением, где электрический транспорт будет более эффективным.
В исследовании использовался метод, известный как сканирующая туннельная потенциометрия (STP), и двумерный графен. Исследователи намеренно добавили в графен препятствия, расположенные на контролируемых расстояниях, а затем подали ток через лист. Используя STP, они измерили напряжение с нанометровым разрешением во всех точках графена, создав двумерную карту картины потока электронов (более высокое напряжение = больше электронов). Независимо от расстояния между препятствиями падение напряжения в канале было намного ниже при более высокой температуре (77 Кельвинов) по сравнению с более низкой температурой (4 Кельвина), что указывает на то, что через него проходит больше электронов (более низкое сопротивление).
«Мы провели количественный анализ [карты напряжения] и обнаружили, что при более высокой температуре сопротивление в канале намного ниже. Электроны текли более свободно и подобно жидкости», — говорит Кребс. «Графен настолько чист, что мы заставляем электроны взаимодействовать друг с другом до того, как они взаимодействуют с чем-либо еще, и это имеет решающее значение для того, чтобы заставить их вести себя как жидкость».
Аналогия скалы и ручья
При температурах, близких к абсолютному нулю, электроны в графене ведут себя как газ: они диффундируют во всех направлениях и с большей вероятностью столкнутся с препятствиями, чем взаимодействуют друг с другом. Сопротивление выше, и поток электронов относительно неэффективен.
При более высоких температурах — 77 К, или минус 196 °С — жидкостное поведение потока электронов означает, что они больше взаимодействуют друг с другом, чем сталкиваются с препятствиями, протекая, как вода между двумя камнями посреди потока. Электроны как бы сообщают информацию о преграде друг другу и расходятся вокруг скал. Сопротивление ниже, а поток электронов более эффективен.
Бывший аспирант UW-Madison Уайатт Бен является соавтором этого исследования, проведенного в группе профессора физики Виктора Брара.
Теги: графен
