اندازه گیری تابعِ طیفی حامل های بار در لایه گرافین تقریبا معلق، توسط طیف سنجی گسیل فوتونی با تفكیك زاویه‌ای(ARPES) و محاسبه نظری تابع بس ذره‌ای خود-انرژی حاصل از برهم‌كنش‌های بس‌ذره‌ای الكترون-الكترون و الكترون- فونون، نشان می‌دهد که در گرافین آلاییده، طیف خطی متصور برای توصیف كامل حامل‌های برانگیخته بار كافی نیست. در مقاله‌ای که در شماره آینده مجله ساینس منتشر خواهد شد تعدادی از پژوهشگران امریکایی به همراهی رضا عسگری از پژوهشگاه دانشهای بنیادی از ایران وجود شبه ذرات پلاسمارون كه ذرات باردار مقید شده به مد دسته جمعی نوسانی الكترون‌ها هستند را به طور تجربی گزارش کردند. وجود این شبه ذرات قبلا توسط عسگری و با محاسبات نظری پیش بینی شده بود.
كربن یكی از مهم‌ترین و جالب‌ترین عنصر جدول تناوبی است كه به اشكال مختلفی یافت می‌شود. گرافین (كربن دو بعدی) لایه‌ای از گرافیت به ضخامت یك اتم است كه اتم‌های كربن روی شبكه‌ای لانه‌زنبوری شكل (شش ضلعی منتظم) قرار گرفته‌اند. چنین لایه دو بعدی نه تنها پیوسته است بلكه یك كریستال با كیفیت بالا است، به طوری كه حامل‌های بار می‌توانند بدون پراكندگی مسافت حدود هزاربرابرِ فاصله‌ی بین اتمی را بپیمایند . به عبارتی تحریك پذیری حامل‌ها بالاست. چنین ساختار كریستالی دو بعدی با حذف ملایم بعد سوم به دست آمده است و شدیدا پایدار است. پس از ساخته شدن گرافین در آزمایشگاه در سال 2004 به‌خاطر رفتار شگفت‌آور و غیر معمول این سیستم ِدو بعدی و كاربردهای عملی بلقوه‌ی این ماده، تحقیقات گسترده‌ای بر روی این ماده صورت گرفته است. یكی از ویژگی‌های منحصر به فرد در گرافین، طبیعت خاص حامل‌های بار در آن است . در فیزیك ماده چگال ، عموما به كار گیری معادله شرودینگر در توصیف خواص الكترونی مواد موفق است . گرافین یك استثنا است . حامل‌های بار آن از معادلاتِ ذرات نسبیتی بدون جرم تبعیت می كنند . هر چند كه هیچ مشخصه نسبیتی برای الكترون و حركت آن در حوالی اتم كربن وجود ندارد. چنین شبه ذراتی را فرمیون‌های دیراك بدون جرم می‌نامیم كه الكترون‌هایی هستند كه جرم سكونِ خود را از دست داده‌اند ، پس معادله‌ی حاكم بر گرافین همانند معادله‌ی نوترینوی باردار است. به‌خاطر رابطه‌ی پاشندگی خطی در گرافین سرعت فرمی الكترون‌های كم انرژی از انر‌ژی آن مستقل است. در نتیجه گرافین نیمه‌فلزی بدون گاف انرژی است كه ساختار نواری آن در منطقه‌ی بریلوین مخروطی شكل است ونوار رسانش و نوار ظرفیت آن فقط در یك نقطه به نام نقطه دیراك هم‌دیگر را قطع می‌كنند. در سال‌های اخیر با كشف گرافین و نتایج حاصل از كارهای تجربی و نظری فراوانی كه برای بررسی ویژگی‌های الكترونیكی جالب این ماده‌ی جدید صورت گرفته به نظر می‌رسد كه گرافین به‌خاطر قابلیت آن در ساخته شدن در ابعاد بسیار كوچك (كوچك‌تر از ۱۰ نانومتر) و بسیاری ویژگی‌های مناسب الكتریكی و عمل‌كرد با سرعت بالاتر نسبت به سیلیكون نامزد مناسبی برای جایگزینی سیلیكون و حركت به سمت نانو الكترونیك مدرن است. الكترون‌ها در آن رفتار ترابردی شبه-پرتابی از خود نشان داده و با مقاومت كمی كه در برابر خود می‌بینند گرمای اندكی تولید می‌كنند، از طرفی آزمایش‌های اخیر نشان از رسانندگی گرمایی بالای گرافین می‌دهد به گونه‌ای كه با دارا بودن رسانندگی گرمایی در دمای اتاق تا مرتبه‌ی 5.3 × 10³ W/mK، دارای رسانندگی گرمایی بالاتری نسبت به نانو لوله‌های كربنی است. هم‌چنین آزمایش‌های اخیر خبر از تحرك‌پذیری بالای الكترون‌ها در گرافین از مرتبه‌ی حدود 10⁵ cm²/Vs حتی در دمای اتاق می‌دهد، كه در مقایسه با بالاترین تحرك‌پذیری ثبت ‌شده در H-Si(111) FET كه حدود 8 × 10³ cm2/Vs در دمای 4.2K است و بالاترین تحرك-پذیری به‌دست آمده در Si-Sio₂(100) MOSFET كه در دمای كم حدود 25 × 10³ cm²/Vs است، بسیار بزرگ‌تر است. این ویژگی‌های به همراه قابلیت كنترل نوع و چگالی حامل‌های بار در گرافین (به‌وسیله‌ی ولتاژ گیت یا تزریق شیمیایی)، از آن کاندید مناسبی برای ساخت قطعات نانو الكترونیك مدرن ساخته است.

در پژوهش عسگری و همکارانش چه از نظر تجربی و چه از نظر نظری نشان داده شده است كه تك نقطه تلاقی باندهای انرژی ذرات باردار در فضای فاز، که به نقطه دیراك معروف است، به نقطه تلاقی باند انرژی شبه ذرات پلاسمارون و همچنین حلقهِ بسته‌ای كه بین باندهای باری و پلاسمارون تشكیل می‌شود، تفكیك می‌گردد. این نتایج نشان ضمن کمک به شناخت بهتری از ماهیت اصلی الكترون‌‌ها در گرافین، دریچه ای از كاربرد‌های جدید گرافین را به روی دانشمندان می‌گشاید. به طور مثال گرافین با چنین خصوصیات جدید را می‌توان در صنعت فوتونیك برای ساخت لیزرهای با فركانس تراهرتز به كار گرفت. در حقیقت با به كار گیری شبه ذرات پلاسمارونی می‌توان ادوات بسیار ریزی ساخت كه از ویژگی‌های الكترونی و فوتونی به طور همزمان بهره می‌برند.

A: Non-interacting, single-particle picture



H: Interacting, many-body picture


مراجع:


نویسنده خبر: علی مسچیان