مطالعه‌ی اربیتال‌های الکترونی گرافن با STM

محققان یک گام به‌سوی درک بهتر از ویژگی‌های منحصربه‌فرد گرافن برداشته‌اند. محققان
مؤسسه‌ی فناوری جرجیا و مؤسسه‌ی ملی فناوری و استاندارد برای اولین بار چگونگی
توزیع اربیتال‌های الکترونی را در اطراف گرافن اپیتاکسیال و در حضور میدان مغناطیسی
توضیح دادند.

نتایج تحقیقات پژوهشگران نشان می‌دهد که اربیتال‌های الکترونی گرافن، در حین فرایند
رشد آن، می‌تواند با ماده‌ی زیرین گرافن برهم‌کنش داشته باشد که این برهم‌کنش موجب
تشکیل یک‌سری فواصل انرژی می‌شود و در نهایت روی مسیر حرکت الکترون در مواد چندلایه
تأثیر می‌گذارد. از این فواصل انرژی می‌توان در طراحی ادوات مبتنی بر گرافن استفاده
کرد.

به‌صورت عادی فواصل انرژی در گرافن به شکلی است که الکترون‌ها مجاز به حضور در برخی
نواحی نیستند؛ اما با اعمال شرایطی روی موج الکترون، می‌توان آن را وارد این نواحی
کرد. درک این شرایط می‌تواند در ساخت ادوات دولایه‌ی مبتنی بر گرافن مفید باشد.

در حضور میدان مغناطیس، الکترون در مسیری دوار حرکت می‌کند که به آن اوربیتال
سیکلوترون گویند و شعاع آن بستگی به انرژی الکترون و میدان مغناطیسی دارد. این
مسئله برای گرافن نیز صادق است؛ اما تاکنون اطلاعاتی درباره‌ی اوربیتال حرکتی گرافن
در میدان مغناطیسی به دست نیامده‌است.

برای بررسی این موضوع، پژوهشگران گرافن را درون میدان مغناطیسی قرار داده، دریافتند
که مسیر حرکت الکترون در مسیر اعمال پتانسیل، تغییر جهت می‌دهد. اگر گرافن مورد
استفاده دارای نوسانات پتانسیلی باشد، آنگاه این تغییر مسیر، درون چاه یا قله‌ی
پتانسیلی گرفتار می‌شود. این پدیده برای اثر کوانتومی هال بسیار حائز اهمیت است،
همچنین محققان دریافتند که بر روی سطح گرافن، منطقه‌ای وجود دارد که انرژی
اوربیتال‌های الکترون در آنجا از اتمی با اتم دیگر فرق می‌کند. این مسئله منجر به
یک فاصله‌ی انرژی در سطح نمونه‌های گرافن می‌شود که با بررسی این توزیع انرژی،
محققان دریافتند که منشأ این فاصله، انرژی برهم‌کنش موجود میان یک لایه‌ی گرافن و
لایه‌های دیگری است که در بستری قرار دارند که گرافن روی آن رشد می‌کند.

برای انجام این مطالعات، محققان از میکروسکوپ STM در دمای ۴٫۳ درجه‌ی کلوین استفاده
کردند.آنها به کمک این دستگاه ساختار الکترونیکی گرافن را بررسی نمودند؛ البته این
دستگاه را مؤسسه‌ی ملی فناوری و استاندارد برای این پروژه طراحی کرده، و روی آن یک
مغناطیس ابرهادی برای تأمین میدان مغناطیسی مورد نیاز قرار داده شده‌است.