Nghiên cứu ‘sự nhiễu’ trong dải ruy băng graphene

Trong thông cáo báo chí về giải thưởng Nobel Vật lí năm nay, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã ca ngợi “các tính chất ngoại hạng [của graphene] phát sinh từ thế giới khác thường của vật lí lượng tử”. Nếu như trước đây vấn đề chưa đủ độ nóng, thì nay tấm carbon chỉ dày một nguyên tử này chính thức gây sự chú ý của toàn thế giới.

Ảnh một tấm graphene lơ lửng, chụp với TEAM 0.5 tại Trung tâm Quốc gia Kính hiển vi Điện tử thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley, cho thấy từng nguyên tử carbon (màu vàng) trên mạng tinh thể hình tổ ong.

Triển vọng của graphene nằm ở tính đơn giản của cấu trúc của nó – một mạng lưới “mong manh” của các nguyên tử carbon chỉ dày một lớp nguyên tử. Tấm vật liệu này giam cầm các electron trong một chiều không gian, buộc chúng chạy trong một mặt phẳng. Sự giam cầm lượng tử như vậy mang lại các tính chất điện tử, cơ học và quang học xuất sắc, vượt xa cái mà silicon và các chất bán dẫn truyền thống khác mang lại. Ngoài ra, nếu các electron của graphene bị giam cầm trong hai chiều không gian, kiểu như một dải ruy băng nano, thì nó có thể giúp ích to lớn cho các dụng cụ chuyển mạch lô gic – cơ sở cho các đơn vị điện toán trong các chip máy tính ngày nay.

Nay các nhà khoa học vật liệu Berkeley Labs, Yuegang Zhang cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học California, Los Angeles, đang tiến tới những dụng cụ hiệu quả hơn bằng cách nghiên cứu “sự nhiễu” trong các dải ruy băng graphene như vậy – những dây graphene một chiều với bề rộng cỡ nano mét.

“Các dải ruy băng mỏng cỡ nguyên tử mang lại nền tảng tuyệt vời cho chúng ta làm sáng tỏ mối tương quan mạnh mẽ giữa sự thăng giáng độ dẫn và các cấu trúc điện tử lượng tử hóa của các hệ gần như là một chiều”, theo lời Zhang, một nhà khoa học tại Cơ sở Cấu trúc Nano Vô cơ tại Xưởng đúc Phân tử trên. “Phương pháp này có công dụng rộng hơn nhiều để tìm hiểu các hiện tượng vận chuyển lượng tử trong các dụng cụ điện tử học nano và các dụng cụ phân tử khác”.

Trước đây, Zhang và các đồng nghiệp đã báo cáo các phương pháp chế tạo màng mỏng graphene và đã công bố tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu thấp tần cho các dụng cụ graphene trên chất nền silica.

Trong nghiên cứu hiện nay, đội khoa học chế tạo các dải ruy băng nano bằng graphene, sử dụng một kĩ thuật chế tạo kiểu mặt nạ dây nano. Bằng cách đo sự thăng giáng độ dẫn, hay “sự nhiễu” của các electron trong các dải ruy băng nano graphene, các nhà nghiên cứu đã trực tiếp khảo sát tác dụng của sự giam cầm lượng tử trong những cấu trúc này. Họ đã lập bản đồ cấu trúc dải điện tử của những dải ruy băng nano graphene này bằng một phương pháp khảo sát điện có sức mạnh lớn. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều chất liệu nano khác, trong đó có các dụng cụ điện tử gốc graphene.

“Thật ngạc nhiên là chúng tôi đã quan sát được một mối tương quan rõ ràng như vậy giữa sự nhiễu và cấu trúc dải của các vật liệu nano graphene này”, phát biểu của tác giả Guangyu Xu, một nhà vật lí tại trường Đại học California, Los Angeles. “Công trình này củng cố mạnh cho sự hình thành dải con gần như một chiều trong các dải ruy băng nano graphene, trong đó phương pháp của chúng tôi hóa ra có sức mạnh lớn hơn nhiều so với phép đo độ dẫn”.

Nguồn: PhysOrg.com