برهمکنش الکترون‌ها در فاصله‌ای طولانی در گرافن

[سمندون 19437]

مدت‌ها قبل از تولید گرافن که ورقه‌ای از کربن به قطر تنها یک اتم است، مطالعات تئوری زیادی روی آن صورت گرفته است. بنابراین مطالعات گرافن باید ویژگی‌های بسیار جذابی داشته باشد، اما بررسی تجربی این ویژگی‌ها بسیار دشوار است.

به گزارش سرویس علم و فن آوری پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از نانو، تحقیق جدیدی که با استفاده از منبع پیشرفته نور (ALS) در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی وزارت انرژی آمریکا انجام شده است، تأیید می‌کند که گرافن دارای ویژگی‌های غیرعادی و عجیبی است.

 

دیوید سیگل، نویسنده اصلی مقاله مربوط به این کار می‌گوید: «گرافن نه یک نیمه‌رساناست، نه یک عایق و نه یک فلز. این ماده نوع خاصی شبه‌فلز با ویژگی‌های الکترونیکی جذاب‌تر از آن است که ممکن است در نگاه اول به‌نظر برسد».

نمایی از برهمکنش الکترون‌ها در فاصله طولانی در گرافن دُپ‌نشده

سیگل و همکارانش از تابش ALS 12.0.1 برای روبش یک نمونه خاص از گرافن با ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) استفاده کردند تا نحوه رفتار یک گرافن دُپ‌نشده (ماده اولیه بدون هیچ‌گونه حامل بار اضافی) را در نزدیکی نقطه‌ای به‌نام نقطه دیراک مشاهده کنند.

 

نقطه دیراک ویژگی منحصر به‌فرد ساختار باندی گرافن است. مثلاً گرافن بر خلاف ساختار باندی نیمه‌رساناها شکاف باندی ندارد. در گرافن این باندها توسط دو مخروط به‌نام مخروط‌های دیراک نشان داده می‌شوند که نقطه تماس آنها به‌صورت خطی در نقطه دیراک یکدیگر را قطع می‌کنند. زمانی که باند ظرفیت یا والانس گرافن پر بوده و باند رسانایی آن خالی است، گرافن را می‌توان دُپ نشده و یا دارای بار خنثی در نظر گرفت. در این حالت است که می‌توان بسیاری از ویژگی‌های جذاب گرافن را مشاهده کرد.

 

آزمایش ARPES با کشیدن مستقیم نقشه انرژی جنبشی و زاویه الکترون‌هایی که هنگام تحریک گرافن توسط تابش اشعه ایکس حاصل از ASL از آن نشر می‌شوند، قطعه‌ای از این مخروط‌ها را اندازه می‌گیرد. با برخورد این الکترون‌های نشری با صفحه حسگر، تصویری از این مخروط به‌تدریج شکل می‌گیرد. نحوه برهمکنش الکترون‌ها در گرافن دُپ نشده با این برهمکنش‌ها در فلزات کاملاً متفاوت است: خطوط اطراف این مخروط‌ها انحنایی به‌سمت داخل پیدا می‌کنند که نشان‌دهنده وجود برهمکنش‌های الکترونی در فاصله طولانی‌تری است (تا 790 آنگستروم) که منجر به افزایش سرعت الکترون‌ها می‌شود. این یک نمایش غیرعادی از یک فرایند گسترده به‌نام renormalization است که قبلاً مشاهده نشده است.

جزئیات این تحقیق در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.