آنالیز مادون قرمز گرافن

با کوچک‌تر شدن اندازه‌ی دستگاه‌های الکترونیکی، خواص گرمایی مواد مورد استفاده در آنها به‌شدت اهمیت می‌یابد؛ زیرا قطعات کوچک‌تر نسبت به قطعات بزرگ‌تر، سریع‌تر گرم می‌شوند. گرافن از جمله موادی است که به‌دلیل خواص الکترونیکی و مکانیکی منحصربه‌فرد خود، در آینده به‌عنوان ماده‌ی اصلی قطعات الکترونیکی استفاده خواهد شد.

با کوچک‌تر شدن اندازه‌ی دستگاه‌های الکترونیکی، خواص گرمایی مواد مورد استفاده در
آنها به‌شدت اهمیت می‌یابد؛ زیرا قطعات کوچک‌تر نسبت به قطعات بزرگ‌تر، سریع‌تر گرم
می‌شوند. گرافن از جمله موادی است که به‌دلیل خواص الکترونیکی و مکانیکی منحصربه‌فرد
خود، در آینده به‌عنوان ماده‌ی اصلی قطعات الکترونیکی استفاده خواهد شد؛ اما خواص
گرمایی این ماده برای دانشمندان ناشناخته است.

محققان IBM در نیویورک، خواص نشر مادون قرمز ترانزیستورهای گرافنی را اندازه‌گیری
کردند تا با آن توزیع دما را در این ماده به دست آوردند و در نهایت با کمک آن به
نقطه‌ی Dirac در این ماده برسند. آنها دریافتند که همه‌ی این خواص با کمک میدان
الکتریکی گیت ترانزیستور به‌صورت خارجی قابل کنترل است.

پادون آوریست و همکارانش در مرکز تحقیقاتی واتسون تی جی، به اندازه‌گیری نوری
نوارهای ۵۵× ۲٫۵ میکرومتری گرافن پرداختند. آنها برای این کار از لنز مادون قرمز
نزدیک با بزرگ‌نمایی ۲۰ برابر استفاده کردند. پرتوهای مادون قرمز منتشرشده از گرافن
به‌وسیله‌ی آرایه‌‌ی شناساگرِ HgCdTe که در نیتروژن مایع خنک‌شده شناسایی می‌شوند.
به‌منظور کاهش نقاط تاریک از فیلترهای عبوری-کوتاه با محدوده‌ی ۱۸ تا ۲٫۵ میکرومتر
که در نیتروژن مایع خنک‌شده استفاده می‌شود.

 

 

ظاهر و شکل مختلف این اتم‌های منفرد کبالت به خاطر جهت‌های متفاوت اسپین آنها می‌باشد.
 
در گام بعد، این گروه از یک گیت عبوری که بر روی یک منشور قرار گرفته، استفاده
کردند تا پرتوهای مادون قرمز را به‌صورت عمودی بر نوارهای گرافنی بتابانند. با این
کار آنها پرتوی نشری در محدوده‌ی ۰٫۵ تا ۱ الکترون ولت را اندازه گرفتند.

با آنالیز اندازه‌گیری‌های انجام‌شده، آنها توزیع دما، دانسیته‌ی الکترون و حفره،
همچنین موقعیت نقطه‌یDirac را در کانال گرافن به دست آوردند. نقطه‌ی Dirac در
ساختار باند گرافن، به نقطه‌ای گفته می‌شود که در آن لایه‌ی ظرفیت با لایه‌ی هدایت
تداخل می‌کند و این نقطه‌ای است که ماده گرم‌ترین دمای خود را دارد. یکی از محققان
این پروژه می‌گوید که لایه‌ی فرمی در گرافن دست‌نخورده با نقطه‌ی Dirac آن، یکسان
است، موقعیت این نقطه برای تعیین خواص گرافن بسیار حیاتی است.

نتایج این پروژه نشان داد که میدان الکتریکی گیت ترانزیستوری گرافن تعیین‌کننده‌ی
موقعیت باند ساختاری در گرافن نسبت به لایه‌ی فرمی است که در نهایت تعداد و نوع
بارهای موجود در گرافن را مشخص می‌کند.

نتایج کارهای اخیر نشان می‌دهد که اندازه‌گیری نشر مادون قرمز راهی مناسب و غیر
مخرب برای آنالیز گرافن است.