Saturday, 28 November 2020

กราฟีน: วัสดุ 2D กับความสามารถพิเศษใหม่

นักวิทยาศาสตร์ของ Berkeley Lab ค้นพบตุณสมบัติใหม่ที่ซ่อนอยู่ของกราฟีนในฐานะตัวนำยิ่งยวดที่ปรับได้ด้วยไฟฟ้า ฉนวนและแม่เหล็กสำหรับของวิทยาการควอนตัมแบบก้าวหน้า

นับตั้งแต่การค้นพบของกราฟีนในปี 2004 นักวิทยาศาสตร์ได้มองหาวิธีที่จะนำวัสดุ 2D ที่มีความสามารถและบางเป็นอะตอมนี้มาใช้งาน

เมื่อปีที่แล้วทีมนักวิจัยนำโดย Feng Wang ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ของแผนกวัสดุศาสตร์ของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ของฟิสิกส์ที่ UC Berkeley ได้พัฒนาอุปกรณ์ graphene แบบมัลติทาสกิ้งที่เปลี่ยนจากตัวนำยิ่งยวดที่มีประสิทธิภาพในการนำกระแสไฟฟ้าไปเป็นฉนวนที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้

ขณะนี้รายงานใน Nature นักวิจัยสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของกราฟีนได้ถึงสามคุณสมบัติ คือ ตัวนำยิ่งยวด ฉนวน และแม่เหล็ก

“ จนถึงตอนนี้วัสดุที่แสดงคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดฉนวนและแม่เหล็กในเวลาเดียวกันนั้นหายากมาก และคนส่วนใหญ่เชื่อว่ามันจะเป็นการยากที่จะชักนำให้เกิดสนามแม่เหล็กในแกรฟีนเพราะโดยทั่วไปแล้วจะไม่เป็นสนามแม่เหล็ก ระบบกราฟีนของเราเป็นครั้งแรกที่รวมคุณสมบัติทั้งสามไว้ในตัวอย่างเดียว” Guorui Chen นักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่ม Ultra-Nano-Optics Group ของ Wang ที่ UC Berkeley และผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว

การใช้ไฟฟ้าเพื่อปลดความสามารถซ่อนเร้นของกราฟีน

กราฟีนมีศักยภาพมากมายในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ โครงสร้างบางของอะตอมรวมกับการนำไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม สามารถใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และหน่วยความจำรุ่นต่อไป เฉินซึ่งทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในแผนกวัสดุศาสตร์ของ Berkeley Lab กล่าว ปัญหาคือวัสดุแม่เหล็กที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันทำมาจากโลหะ ferromagnetic เช่นโลหะผสมเหล็กหรือโคบอลต์ วัสดุเฟอร์ไรต์เช่นแม่เหล็กแท่งทั่วไปมีขั้วเหนือและขั้วใต้ เมื่อวัสดุเฟอร์ไรต์ถูกใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูลบนฮาร์ดดิสก์ของคอมพิวเตอร์ ทิศชี้ขึ้นหรือลงแทนค่าศูนย์และหนึ่ง อย่างไรก็ตามแกรฟีนไม่ได้ทำจากโลหะแม่เหล็ก – มันทำมาจากคาร์บอน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องคิดวิธีแก้ปัญหาอย่างสร้างสรรค์

พวกเขาได้ออกแบบอุปกรณ์บางเฉียบที่มีความหนาเพียง 1 นาโนเมตรซึ่งมีกราฟีนบาง ๆ แบบอะตอม เมื่อประกบระหว่างโบรอนไนไตรด์ 2D ชั้นเลเยอร์กราฟีน – ซึ่งอธิบายว่าเป็นแกรฟีน trilayer ในการศึกษา – สร้างรูปแบบการทำซ้ำที่เรียกว่าmoiré superlattice

ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าผ่าน Gate อุปกรณ์ของกราฟีน แรงจากอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าในอุปกรณ์จะหมุนเป็นวงกลมในทิศทางเดียวกันเหมือนกับรถเล็ก ๆ ที่วิ่งรอบสนามแข่ง สิ่งนี้สร้างโมเมนตัมที่รุนแรงซึ่งเปลี่ยนอุปกรณ์แกรฟีนให้เป็นระบบ ferromagnetic

เมื่อทำการวัดเพิ่มเติมทำให้พบว่ากราฟีนมีสมบัจิ Chern Insulator อันเป็นวัสดุ Topology อย่างหนึ่ง

“ การค้นพบของเราแสดงให้เห็นว่าแกรฟีนเป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับการศึกษาฟิสิกส์ที่แตกต่างกันตั้งแต่ฟิสิกส์ของอนุภาคเดี่ยวไปจนถึงตัวนำยิ่งยวดรวมถึงฟิสิกส์เชิงทอพอโลยีเพื่อศึกษาขั้นตอนของสสารควอนตัมในวัสดุ 2D” เฉินกล่าว “ มันน่าตื่นเต้นที่ตอนนี้เราสามารถสำรวจฟิสิกส์ใหม่ ๆ ในอุปกรณ์ขนาดเล็กเพียงหนา 1 ล้านมิลลิเมตร”

เราคงหวังว่านักวิจัยจะทำการทดลองกับอุปกรณ์กราฟีนของพวกเขาให้มากขึ้น เพื่อให้มีความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับการเกิดของฉนวนและแม่เหล็กของ Chern Insulator และกลไกที่อยู่เบื้องหลังคุณสมบัตินี้ ก่อนที่จะนำไปใช้ประโยชน์ได้

ที่มา https://newscenter.lbl.gov/2020/03/04/2d-material-gets-a-new-gig/