Physiker der University of Wisconsin-Madison haben erstmals den flüssigkeitsähnlichen Fluss von Elektronen in Graphen direkt mit Nanometerauflösung gemessen. Die Ergebnisse erscheinen im Tagebuch Wissenschaft Heute.
Graphen, eine atomdicke Schicht aus Kohlenstoff, die in einem Wabenmuster angeordnet ist, ist ein besonders reiner elektrischer Leiter und damit ein ideales Material, um den Elektronenfluss mit sehr geringem Widerstand zu untersuchen. Hier fügen die Forscher absichtlich Verunreinigungen in bekannten Abständen hinzu und stellen fest, dass sich der Elektronenfluss mit steigender Temperatur von gasartig zu flüssigkeitsartig ändert.
„Alle leitfähigen Materialien enthalten Verunreinigungen und Mängel, die den Elektronenfluss blockieren, was zu Widerstand führt. In der Vergangenheit haben die Menschen einen Ansatz mit niedriger Auflösung gewählt, um zu identifizieren, woher der Widerstand kommt“, sagt Zach Krebs, ein Physik-Doktorand an der UW-Madison und Co- Erstautor der Studie. „In dieser Studie stellen wir uns vor, wie Ladung um eine Verunreinigung herum fließt, und sehen tatsächlich, wie diese Verunreinigung Strom blockiert und Widerstand verursacht, was noch nie zuvor getan wurde, um zwischen gasähnlichen und flüssigkeitsähnlichen Elektronenflüssen zu unterscheiden.“
Die Ergebnisse finden Anwendung bei der Entwicklung neuer Materialien mit niedrigem Widerstand, bei denen der elektrische Transport effizienter wäre.
Die Studie verwendete eine Technik, die als Scanning Tunneling Potentiometry (STP) bekannt ist, und das 2D-Material Graphen. Die Forscher führten absichtlich Hindernisse in das Graphen ein, die in kontrollierten Abständen angeordnet waren, und legten dann einen Strom über die Platte an. Mit STP maßen sie die Spannung mit Nanometerauflösung an allen Punkten auf dem Graphen und erstellten eine 2D-Karte des Elektronenflussmusters (höhere Spannung = mehr Elektronen). Unabhängig vom Hindernisabstand war der Spannungsabfall durch den Kanal bei einer höheren Temperatur (77 Kelvin) im Vergleich zu einer niedrigeren Temperatur (4 Kelvin) viel geringer, was darauf hinweist, dass mehr Elektronen hindurchgingen (geringerer Widerstand).
„Wir haben eine quantitative Analyse durchgeführt [of the voltage map] und festgestellt, dass bei der höheren Temperatur der Widerstand im Kanal viel niedriger ist. Die Elektronen flossen freier und flüssiger“, sagt Krebs. „Graphen ist so sauber, dass wir die Elektronen zwingen, miteinander zu interagieren, bevor sie mit irgendetwas anderem interagieren, und das ist entscheidend, damit sie sich wie a verhalten Fluid.“
Die Rock- und Stream-Analogie
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verhalten sich Elektronen in Graphen wie ein Gas: Sie diffundieren in alle Richtungen und treffen eher auf Hindernisse, als dass sie miteinander interagieren. Der Widerstand ist höher und der Elektronenfluss ist relativ ineffizient.
Bei höheren Temperaturen – 77 K oder minus 196 C – bedeutet das flüssigkeitsähnliche Verhalten des Elektronenflusses, dass sie mehr miteinander interagieren, als dass sie auf Hindernisse treffen und wie Wasser zwischen zwei Felsen in der Mitte eines Baches fließen. Es ist, als ob die Elektronen Informationen über das Hindernis austauschen und sich um die Felsen herum bewegen. Der Widerstand ist geringer und der Elektronenfluss ist effizienter.
Der ehemalige UW-Madison-Doktorand Wyatt Behn ist Co-Erstautor dieser Studie, die in der Gruppe von Physikprofessor Victor Brar durchgeführt wurde.
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Zachary J. Krebs et al, Darstellung des Aufbrechens elektrostatischer Dämme in Graphen für ballistische und viskose Flüssigkeiten, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abm6073