Laut einer aktuellen Studie unter der Leitung von Professor Gil-Ho Lee und Ph.D. weist der Elektronentransport in Graphen-Doppelschichten eine ausgeprägte Abhängigkeit von Randzuständen und einem nichtlokalen Transportmechanismus auf. Kandidat Hyeon-Woo Jeong vom Fachbereich Physik von POSTECH, in Zusammenarbeit mit Dr. Kenji Watanabe und Dr. Takashi Taniguchi am japanischen National Institute for Materials Science (NIMS). Die Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Nanotechnology veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Doppelschichtiges Graphen, bestehend aus zwei vertikal gestapelten Graphenschichten, kann von außen angelegte elektrische Felder nutzen, um seine elektronische Bandlücke zu modulieren – eine Eigenschaft, die für den Elektronentransport unerlässlich ist. Dieses besondere Merkmal hat aufgrund seiner künftigen Rolle in der „Valleytronics“, einem aufkommenden Paradigma für die Datenverarbeitung der nächsten Generation, große Aufmerksamkeit erregt. Durch die Nutzung des „Valley“, eines Quantenzustands in der Energiestruktur eines Elektrons, der als diskrete Datenspeichereinheit fungiert, ermöglicht Valleytronics eine schnellere und effizientere Datenverarbeitung als herkömmliche Elektronik oder Spintronik. Mit seiner einstellbaren Bandlücke stellt zweischichtiges Graphen eine grundlegende Plattform für fortschrittliche Valleytronics-Forschung und Geräteinnovation dar.
Ein zentrales Konzept der Valleytronics ist der „Valley-Hall-Effekt (VHE)“, der beschreibt, wie der Elektronenfluss selektiv durch diskrete Energiezustände – sogenannte „Täler“ – innerhalb eines bestimmten Materials kanalisiert wird. Infolgedessen entsteht ein bemerkenswertes Phänomen namens „nichtlokaler Widerstand“, das messbaren Widerstand in Regionen einführt, in denen es keinen direkten Stromfluss gibt – selbst wenn keine Leitungspfade vorhanden sind.
Während ein Großteil der aktuellen Literatur den nichtlokalen Widerstand als endgültigen Beweis für den Valley-Hall-Effekt (VHE) ansieht, postulieren einige Forscher, dass Verunreinigungen am Geräterand oder externe Faktoren – wie etwa Herstellungsprozesse – ebenfalls die beobachteten Signale erzeugen könnten, was die Debatte außer Acht lässt über die Ursprünge von VHE ungeklärt.
Um die endgültige Quelle des nichtlokalen Widerstands in zweischichtigem Graphen zu ermitteln, stellte das gemeinsame Forschungsteam von POSCO und NIMS ein Dual-Gate-Graphengerät her, das eine präzise Bandlückensteuerung ermöglicht. Anschließend verglichen sie die elektrischen Eigenschaften von unberührten, natürlich geformten Graphenkanten mit denen, die künstlich durch reaktives Ionenätzen bearbeitet wurden.
Das Ergebnis zeigte, dass der nichtlokale Widerstand in natürlich geformten Kanten den theoretischen Erwartungen entsprach, während durch Ätzen bearbeitete Kanten einen nichtlokalen Widerstand aufwiesen, der diese Werte um zwei Größenordnungen übertraf. Diese Diskrepanz weist darauf hin, dass durch das Ätzverfahren fremde Leitungspfade eingeführt wurden, die nichts mit dem Valley-Hall-Effekt zu tun haben, was erklärt, warum bei früheren Messungen von Doppelschicht-Graphen eine verringerte Bandlücke beobachtet wurde.
„Der Ätzprozess, ein wichtiger Schritt bei der Geräteherstellung, wurde nicht ausreichend untersucht, insbesondere im Hinblick auf seine Auswirkungen auf den nichtlokalen Transport“, kommentierte Hyeon-Woo Jeong, der Erstautor des Papiers. „Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, diese Überlegungen erneut zu prüfen und entscheidende Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Gerätedesigns und der Entwicklung von Valleytronics zu liefern.“
Diese Forschung wurde von der National Research Foundation of Korea (NRF), dem Ministerium für Wissenschaft und IKT, dem Institute for Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP), dem Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) und dem Institute for unterstützt Basic Science (IBS), die Samsung Science & Technology Foundation, Samsung Electronics Co., Ltd., die Japan Society for the Promotion of Science (JSPS KAKENHI) und die World Premier International Research Center Initiative (WPI).
