مفاجآت في الجرافين: القياسات الدقيقة تكشف عن خصائص غير عادية

الجرافين هو شكل بلوري ثنائي الأبعاد من الكربون: طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في بنية سداسية، تشبه الأسلاك ذات الشبكة السداسية. وباعتبارها أشياء مستقلة، لم يعتقد أحد أنه يمكن تصنيعها - أو حتى وجودها - حتى تمكن الفيزيائيون في جامعة مانشستر من تصنيعها فعليا في عام 2004. والآن يتم استهداف هذه المواد للقيام بدور مهم في تسريع الحوسبة.

تمكن الباحثون في قسم مصادر الطاقة المتقدمة (ALS)، من المختبر الوطني بجامعة كاليفورنيا، سان دييغو (UCSD)، الآن من قياس الخصائص غير العادية للجرافين بمستوى من الدقة لم يتم تحقيقه من قبل. تؤكد النتائج العديد من الخصائص الغريبة لهذه المادة غير العادية، ولكنها تكشف أيضًا عن انحرافات كبيرة عن التوقعات النظرية حولها. كما أنها تشير أيضًا إلى الطريق إلى تطبيقاتها العملية، مثل المُعدِّلات الضوئية القابلة للضبط في مجالات الاتصالات والإلكترونيات النانوية.

الخصائص الإلكترونية الواعدة للجرافين

يتكون شكل الكربون المعروف من أقلام الرصاص، وهو الجرافيت، من طبقات تحتوي على حلقات تحتوي على ستة ذرات كربون (سداسي) بطريقة ترتبط فيها كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى بروابط قوية (تساهمية). وتكون الطبقات متباعدة عن بعضها البعض ومتصلة بروابط فضفاضة (فان دير فال)، مما يجعل الجرافيت ناعمًا. بين الطبقات توجد إلكترونات متحركة (الإلكترون الرابع غير الرابطة في غلاف كل ذرة كربون) وتتيح التوصيل الكهربائي. نظرًا لأن الطبقات قادرة على التحرك بسهولة فوق بعضها البعض، فإن الجرافيت يعد مادة تشحيم ممتازة.

وفي نفس الموضوع: طريقة تكوين جديدة

في الواقع، طبقات الجرافيت هذه هي الجرافين، على الرغم من أنه قبل عام 2004 لم يتم ملاحظتها بشكل منفصل. وبمجرد التأكد من وجودها، بدأ الباحثون سباقًا بحثيًا مكثفًا، شجعتهم الخصائص الإلكترونية غير المتوقعة للمادة الجديدة. بدأت الدراسات واستمرت منذ ذلك الحين دون توقف. يقول الباحث: "إن الخصائص الإلكترونية الخاصة للجرافين ترجع إلى حقيقة أن ذرة الكربون تحتوي على أربعة إلكترونات، ثلاثة منها مرتبطة ببعضها البعض". "لكن الإلكترون الرابع غير المرتبط موجود في المدارات التي تمتد بشكل عمودي على المستوى، فوقه وتحته، وينتشر تهجينها على كامل سطح الجرافين". نظرًا لكونه بلوريًا، فإن الجرافين ثنائي الأبعاد يختلف كثيرًا عن المواد ثلاثية الأبعاد مثل زورن.

في أشباه الموصلات والمواد الأخرى، تتفاعل حاملات الشحنة الكهربائية (الإلكترونات و"الثقوب" المقابلة لها) مع المجال الدوري للشبكة الذرية للحصول على "أشباه الجسيمات"، وهي امتداد يتصرف مثل الجسيمات الفعلية. لكن هذا الوضع في الجرافين لا يشبه على الإطلاق نظيره في أشباه الموصلات النموذجية. تعتمد طاقات هذه الجسيمات الشبيهة بالجسيمات في المادة الصلبة على زخمها، وهي علاقة توصف بواسطة نطاقات الطاقة. في أشباه الموصلات النموذجية ثلاثية الأبعاد، تكون نطاقات الطاقة "مكافئة" - وهو منحنى يوجد فيه نطاق تكافؤ كامل في الأسفل (في شكل مشابه للصواعد المستوية، إلى حد ما، في القمة)، بينما في يوجد في الأعلى شريط توصيل فارغ معاكس (في الشكل الذي يشبه الهوابط المستوية، أكثر أو أقل في الأسفل)؛ وبينهما فجوة نطاقية فارغة، والتي تمثل كمية الطاقة اللازمة لتحريك الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.

ومع ذلك، على عكس أشباه الموصلات النموذجية، فإن منحنيات نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل في الجرافين تشبه المخاريط الناعمة مع تقاطع جوانبها عند نقطة واحدة، والمعروفة باسم "نقطة ديراك". تصف هذه نسبة الزخم والطاقة للجسيمات الشبيهة بالجسيمات كما لو أنها تتصرف كإلكترونات عديمة الكتلة، وهي جسيمات تسمى "فرميونات ديراك"، تتحرك بسرعة ثابتة، أقل من سرعة الضوء. إحدى النتائج المثيرة للاهتمام لبنية نطاق الطاقة الخاصة في الجرافين هي حقيقة أن الإلكترونات الموجودة فيه حرة تمامًا، كما يقول الباحث الرئيسي. على عكس الإلكترونات الموجودة في المواد الأخرى، فإن الإلكترونات الموجودة في الجرافين "تتحرك" بشكل باليستي - دون أي تصادمات - عبر مسافات كبيرة، حتى في درجة حرارة الغرفة. ونتيجة لذلك، فإن قدرة الإلكترونات الموجودة في الجرافين على توصيل تيار كهربائي أعلى بعشر إلى مائة مرة من قدرة أشباه الموصلات النموذجية الأخرى، مثل السيليكون. هذه الحقيقة تجعل من الجرافين مرشحًا واعدًا جدًا للتطبيقات الإلكترونية المستقبلية. يقول الباحث الرئيسي لي: "من خلال تطبيق تيار من خلال الجرافين الذي يتم إدخاله في جهاز كهربائي، من الممكن التحكم بشكل مستمر في كثافة حاملات الشحنة عن طريق تغيير التيار المطبق، وبالتالي التحكم في الموصلية". هذه هي الميزة الفريدة التي تمكن التطبيقات الواعدة باستخدام الجرافين.

تجربة غير عادية

نظرًا لصعوبة إنتاج الجرافين، بل ومعالجته، لم يتم إجراء معظم التجارب على الأسطح الحرة نفسها ولكن على نوعين من عينات الجرافين: "الجرافين المقشر"، والذي يتم "لصقه" بأكسيد الزنك. /ركيزة الزنك، والجرافين الفوقي، وهي طبقة من ذرات الكربون مرتبطة كيميائيًا بركيزة مناسبة من كربيد السيليكون. يقول لي الباحث: "هذان النوعان من أسطح الجرافين مختلفان بشكل أساسي". استخدمت معظم الأبحاث التجريبية في مسرع الجسيمات على الجرافين الفوقي تقنية تُعرف باسم ARPES، وهي التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي بزاوية محددة. "في دراستنا، تم إجراء التجارب على الجرافين الملصق باستخدام المجهر الطيفي للأشعة تحت الحمراء."

ويوضح الباحث أن القياسات في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء يمكن أن تختبر الخصائص الديناميكية لأشباه الجسيمات عبر نطاق واسع من الطاقات، وبالتالي - يمكن أن توفر بعض المعلومات الأكثر إثارة للاهتمام فيما يتعلق بالطبيعة الإلكترونية للمواد، مثل عمر الإلكترونات و تفاعلاتهم. "لم يتم إجراء مثل هذه القياسات من قبل على الجرافين الملصق، لأنه من الصعب جدًا قياس امتصاص الضوء في طبقة واحدة من الجرافين." ومن أجل قياس سلوك الجرافين بدقة استجابة للأشعة تحت الحمراء وفيما يتعلق بالتغيرات في التيار المطبق عليه، احتاج الباحثون إلى عينات جرافين ملتصقة تم توصيلها بالأقطاب الكهربائية. واستخدموا رقائق من طبقات ذرية أحادية من الجرافين بقياس 50 ميكرومترًا مربعًا. تم وضع العينات فوق (بدون روابط كيميائية) طبقة معزولة من أكسيد الزنك وطبقة أخرى من الزنك النقي. يتم استخدام هذه الركيزة الشفافة كقطب كهربائي للبوابة. تم تبريد النظام بأكمله إلى 45 درجة كلفن.

"من أجل قياس امتصاص شعاع الأشعة تحت الحمراء باستخدام الجرافين الطبيعي والجرافين الموضوعين كهروستاتيكيًا، أي غير مرتبطين كيميائيًا، مثل الموجود في القطب، طلبنا شدة وتركيز الإشعاع من مسرع الجسيمات عند الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء، " يقول مايكل مارتن، أحد الباحثين. "تم توجيه الشعاع، الذي لا يزيد قطره عن عشرة ميكرومترات، إلى نقاط مختلفة على طول وعرض العينة، مما يسمح لنا بقياس التوصيل البصري للمادة بشكل مباشر." تشير كلمة "بصري" في مفهوم "الموصلية الضوئية" إلى التردد العالي للضوء، على عكس التردد المنخفض جدًا للتيار المتردد المنزلي (AC). ابتكر الباحثون تحريضًا كهربائيًا متناوبًا عند التردد البصري لعينات الجرافين باستخدام شعاع الأشعة تحت الحمراء وقاموا بتغيير الجهد عبر الأقطاب الكهربائية. وأدت هذه التغيرات في الجهد إلى تغيرات في موصلية وكثافة حاملات الشحنة الكهربائية في العينات، وأثرت بشكل مباشر على انعكاس الضوء وامتصاصه.

ومن خلال القيام بذلك، أظهر الباحثون أن الخصائص الإلكترونية للجرافين يمكن تعديلها بطريقة خاضعة للرقابة. يقول لي: "في النظام الإلكتروني النموذجي لأشباه الموصلات، فإن "طاقة فيرمي" - طاقة حاملات الشحنة في أعلى حالة كمومية مشغولة عند الصفر المطلق - هي دالة لكثافة الناقل". "ومع ذلك، في أنظمة فرميونات ديراك ثنائية الأبعاد، فإن طاقة فيرمي هي دالة للجذر التربيعي لكثافة الناقل." لاحظ الباحثون اعتماد الجذر التربيعي لهذه الكثافة الفريدة على طاقة فيرمي، ومن ثم أثبتوا أن الإلكترونات الموجودة في الجرافين تتصرف بالفعل مثل فرميونات ديراك. توقع الباحثون اعتماد الجذر التربيعي لطاقة فيرمي على كثافة الناقل، وبالتالي أكدوا الافتراض القائل بأن الإلكترونات الموجودة في الجرافين تتصرف بالفعل مثل فرميونات ديراك. ولذلك، تم تأكيد العديد من خصائص الجرافين التي تنبأت بها النظرية في هذه التجارب، وتم قياسها بمستوى من الدقة لم يتم تحقيقه من قبل.

مفاجآت في الجرافين

ومع ذلك، كشفت نتائج أخرى عن سلوك أكثر تعقيدًا لـ "التفاعلات بين العديد من الأجسام" من ذلك الذي تقترحه صورة الجرافين كجسم واحد، والذي يتعامل مع حاملات الشحنة كمجموعة من الجسيمات المستقلة. تنبأت النظرية أنه إذا لم يكن للإلكترونات الموجودة في الجرافين أي تفاعلات مع بعضها البعض أو مع ذرة الكربون، فإنها عند الطاقة المنخفضة (أو التردد) - طاقة أقل من ضعف طاقة فيرمي - بالكاد تمتص أي ضوء. وبدلاً من ذلك، توقع الباحثون امتصاصًا كبيرًا للأشعة تحت الحمراء في هذه المنطقة منخفضة الطاقة. يقول الباحث الرئيسي: "ربما ينشأ هذا الامتصاص غير المتوقع من التفاعلات بين الإلكترونات والاهتزاز العام لذرات الكربون في الشبكة البلورية، أو من التفاعلات بين الإلكترونات نفسها".

والنتيجة المدهشة الأخرى هي سرعة الإلكترونات. كونها جسيمات حرة، يجب أن تتحرك الإلكترونات الموجودة في الجرافين بسرعة ثابتة بغض النظر عن طاقتها. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه عند الطاقات العالية، تتحرك الإلكترونات بسرعة ثابتة، لكن سرعتها تزداد بشكل منهجي مع انخفاض طاقتها. ربما يكمن هذا السلوك الغامض في التفاعلات بين الإلكترونات نفسها كما تم التنبؤ بها نظريًا في عام 1994. يقول مارتن: "يمكن تصوير تفاعلات العديد من الجسيمات على أنها تفاعلات كولوم بسيطة بين الإلكترونات، أو يمكن أن تكون أكثر تعقيدًا". "المعلومات التي تم جمعها تعطي نمطا واضحا، لكننا مازلنا لا نفهمه بشكل كامل." يقول لي: "بعض هذه الظواهر يمكن أن تكون مرتبطة بالقيود المفروضة على عينات الجرافين التي استخدمناها". "كنا مهتمين جدًا بإجراء هذه القياسات على عينات الجرافين النقية لتجنب أي آثار جانبية للركيزة. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه الانحرافات المحتملة، يبدو أن قياساتنا تشكل تحديًا في الفهم الحالي لهذه المادة الرائعة.

بيان صحفي لباحثي جامعة سان دييغو