Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhang Zengming von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV) in Diamanten mit einer Diamantstempelzelle (DAC) kombiniert, um eine nichtinvasive, hochauflösende zweidimensionale Abbildung der Stromdichte und des Druckgradienten für Graphengeräte unter hohem Druck zu erreichen.
Die Studie des Teams wird veröffentlicht In Nano-Buchstaben.
Viele zweidimensionale Materialien weisen unter hohem Druck vielfältige elektronische Eigenschaften auf, wie druckinduzierte Supraleitung und topologische Phasenübergänge in verdrilltem zweilagigem Graphen (tBLG). Herkömmliche Widerstandsmessungen übersehen jedoch wichtige räumliche Informationen wie topologische Randströme, Verunreinigungen und Defekte, die bei vielen faszinierenden physikalischen Phänomenen eine entscheidende Rolle spielen.
Bestehende magnetische Bildgebungsverfahren wie supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUID) sind durch komplexe experimentelle Bedingungen und eine begrenzte räumliche Auflösung eingeschränkt, was ihre Umsetzung unter hohem Druck schwierig macht. Daher besteht dringender Bedarf an der Entwicklung experimenteller Geräte, die eine nichtinvasive, hochauflösende Bildgebung der Stromdichte in zweidimensionalen Geräten unter hohem Druck ermöglichen.
NV-Zentren in Diamanten werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und räumlichen Auflösung häufig verwendet, um zweidimensionale Stromdichtebilder unter Umgebungsdruck zu erzielen. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von NV-Zentren mit DAC hochauflösende magnetische Bildgebung unter hohem Druck. Darauf aufbauend kombinierte das Forschungsteam erfolgreich NV-Zentren mit DAC, um eine nichtinvasive, hochauflösende Bildgebung der zweidimensionalen Stromdichte unter hohem Druck zu erzielen.
Zusätzlich rekonstruierten sie die zweidimensionale Vektorstromdichte mithilfe des Vektormagnetfelds, das durch die oberflächennahe NV-Mittelschicht im Diamanten abgebildet wurde. Die Stromdichtebilder zeigten die komplexe Struktur von komprimiertem Graphen unter hohem Druck, wie etwa die Bildung von Rissen und Löchern, sowie den Stromfluss, präzise und klar. Die extrahierte räumliche Druckverteilungskarte des Graphengeräts unter hohem Druck liefert eine vernünftige Erklärung für die Ungleichmäßigkeit der Stromdichte, wie etwa Schwankungen im Kontaktwiderstand und in der Dicke.
Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung von Änderungen des Elektronentransports und der Leitfähigkeit in zweidimensionalen Materialien und elektronischen Geräten unter hohem Druck sowie zur zerstörungsfreien Prüfung von Halbleiterschaltkreisen.
Weitere Informationen:
Cheng Zhong et al, Hochauflösende 2D-Bildgebung von Stromdichte und Druck für Graphenbauelemente unter hohem Druck unter Verwendung von Stickstoff-Fehlstellenzentren in Diamant, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00780