Nanoscale fabrication techniques enable creation of “artificial graphene” / Tecniche di fabbricazione su scala nanometrica consentono la creazione di "grafene artificiale"

Nanoscale fabrication techniques enable creation of “artificial graphene” Tecniche di fabbricazione su scala nanometrica consentono la creazione di "grafene artificiale"

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa


nanoscale
The quantum wells were etched onto a semiconductor material and spaced about 50nm apart / I pozzi quantici erano incisi su un materiale semiconduttore e distanziati di circa 50 nm
It may be possible to engineer the nanoscale-patterned semiconductor material to produce exotic electronic properties
The research, at the engineering department of Columbia University in New York City, centered around an attempt to reproduce the electronic structure of graphene in a synthetic semiconductor device.
Graphene’s potential is derived from the way its electrons behave; carbon has four electrons available for bonding, and in graphene, three of them bind each carbon atom strongly to its neighbours to form the characteristic flat hexagonal lattice, but the fourth is free to move along the plane, giving the material its outstanding electrical conductivity. But one problem engineers have encountered in exploiting this property is that the properties depend on this specific configuration of carbon; it cannot be altered to create different conductive effects.
The Columbia team, led by physicist Prof Aron Pinczuk, used the technology normally employed to manufacture microprocessors to engineer graphene-like behavior in gallium arsenide, a common industrial semiconductor.
Working with colleagues at Princeton and Purdue Universities and the Italian Institute Of Technology in Genoa, they devised a method using nanothithography and etching to create a hexagonal pattern of “quantum wells”, which confine the movement of electrons to a lateral direction, onto a sheet of GaAs. The dots were placed about 50nm apart, which is much further than the atoms in graphene but close enough for them to interact quantum mechanically, effectively sharing their electrons like atoms do in solids.
In a paper in Nature Nanotechnology, the team describes the technique and how they tested it. To confirm that electrons behaved like those of graphene, they illuminated the quantum dot sites with a laser and measured how the light was scattered. This scattering showed a loss of energy in the light that corresponded to the transitions caused by electrons dropping through quantum energy levels, as they do in atoms. When they mapped these transitions, the team found that they were approaching zero in a linear fashion around what is called the “Dirac point” where the electron density vanishes, a hallmark of graphene.
The ability to recreate graphene’s electronic behavior opens up new avenues for engineering, the team claims because changing the pattern and distribution of the quantum dots would modulate the electrons’ behavior. Moreover, the greater-than-atomic spacing of the dots would allow engineers to create even more exotic quantum behavior by applying magnetic fields to the material.
“This work is really a major advance in artificial graphene. Since the first theoretical prediction that system with graphene-like electronic properties may be artificially created and tuned with patterned 2D electron gas, no one had succeeded, until the Columbia work, indirectly observing these characteristics in engineered semiconductor nanostructures,” said Prof. Steven G. Louie, a physicist at the University of California, Berkeley, commenting on the research.
Columbia team member Dr Shalom Wind commented: “This is a rapidly expanding area of research, and we are uncovering new phenomena that couldn’t be accessed before. As we explore novel device concepts based on electrical control of artificial graphene, we can unlock the potential to expand frontiers in advanced optoelectronics and data processing.”
Team leader Pinczuk added: ”What was really critical to our work was the impressive advancements in nanofabrication. These offer us an ever-increasing toolbox for creating a myriad of high-quality patterns at nanoscale dimensions. This is an exciting time to be a physicist working in our field.”

ITALIANO

Potrebbe essere possibile progettare il materiale semiconduttore su nanoscala per produrre proprietà elettroniche esotiche
La ricerca, presso il dipartimento di ingegneria della Columbia University di New York City, era incentrata sul tentativo di riprodurre la struttura elettronica del grafene in un dispositivo semiconduttore sintetico.
Il potenziale del grafene deriva dal modo in cui i suoi elettroni si comportano; il carbonio ha quattro elettroni disponibili per l'incollaggio, e in grafene tre di essi legano ciascun atomo di carbonio con forza ai suoi vicini per formare il caratteristico reticolo esagonale piatto, ma il quarto è libero di muoversi lungo il piano, dando al materiale la sua eccezionale conduttività elettrica. Ma uno dei problemi che gli ingegneri hanno riscontrato nello sfruttamento di questa proprietà è che le proprietà dipendono da questa specifica configurazione di carbonio; non può essere modificato per creare diversi effetti conduttivi.
Il gruppo della Columbia, guidato dal fisico Prof Aron Pinczuk, ha utilizzato la tecnologia normalmente utilizzata per produrre microprocessori per progettare un comportamento simile al grafene nell'arseniuro di gallio, un comune semiconduttore industriale.
Lavorando con i colleghi delle Università di Princeton e Purdue e dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, hanno ideato un metodo che utilizza nanotitografia e incisione per creare un modello esagonale di "pozzi quantici", che limitano il movimento degli elettroni in direzione laterale, su un foglio di GaAs. I punti sono stati posizionati a circa 50 nm di distanza, che è molto più lontano degli atomi di grafene ma abbastanza vicino da consentire loro di interagire in modo quantico meccanicamente, condividendo efficacemente i loro elettroni come gli atomi nei solidi.
In un articolo su Nature Nanotechnology, il gruppo descrive la tecnica e come l'hanno testata. Per confermare che gli elettroni si sono comportati come quelli del grafene, hanno illuminato i punti quantici con un laser e hanno misurato la dispersione della luce. Questa dispersione mostrava una perdita di energia nella luce che corrispondeva alle transizioni causate dagli elettroni che scendevano attraverso i livelli di energia quantica, come fanno negli atomi. Quando hanno mappato queste transizioni, il team ha scoperto che si stavano avvicinando a zero in modo lineare attorno a quello che viene chiamato il "punto di Dirac" dove la densità di elettroni svanisce, un segno distintivo del grafene.
La capacità di ricreare il comportamento elettronico del grafene apre nuove strade all'ingegneria, sostiene il team perché la modifica del modello e la distribuzione dei punti quantici modulerebbe il comportamento degli elettroni. Inoltre, la spaziatura più grande di quella atomica dei punti consentirebbe agli ingegneri di creare un comportamento quantico ancora più esotico applicando campi magnetici al materiale.
"Questo lavoro è davvero un grande passo avanti nel grafene artificiale. Dal momento che la prima previsione teorica che il sistema con proprietà elettroniche simili a grafene può essere creato artificialmente e sintonizzato con un gas di elettroni 2D modellato, nessuno ha avuto successo, fino a quando il Columbia non lo ha realizzato, osservando indirettamente queste caratteristiche in nanostrutture di semiconduttori ingegnerizzati ", ha affermato il Prof. Steven G Louie, un fisico dell'Università della California, Berkeley, commenta la ricerca.
Il membro del gruppo della Columbia, Dr Shalom Wind, ha commentato: "Si tratta di un'area di ricerca in rapida espansione e stiamo scoprendo nuovi fenomeni a cui non era possibile accedere prima. Mentre esploriamo nuovi concetti di dispositivi basati sul controllo elettrico del grafene artificiale, possiamo sfruttare il potenziale per espandere le frontiere nella optoelettronica avanzata e nell'elaborazione dei dati ".
Il leader del gruppo Pinczuk ha aggiunto: "Ciò che è stato veramente fondamentale per il nostro lavoro sono stati i progressi impressionanti nella nanofabbricazione. Questi strumenti ci offrono una gamma di strumenti sempre più ampia per la creazione di una miriade di modelli di alta qualità su dimensioni su scala nanometrica. Questo è un momento emozionante per essere un fisico che lavora nel nostro campo ".

Da:

https://www.theengineer.co.uk/nanoscale-artificial-graphene/?cmpid=tenews_4458642&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E

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