تحقيقات مشترك گروهي از فيزيكدانان ايراني، آمريكايي و ايتاليايي به تاييد تجربي پيش بيني نظريه آنها در خصوص ويژگي‌هاي گرافين و امكان جايگزيني اين ماده به جاي سيليكون منجر شد كه مي‌تواند فصلي جديد در همبستگي دو حوزه فوتونيك والكترونيك و آغاز عصري نوين در عرصه نانوالكترونيك را رقم بزند.
دكتر رضا عسگري، رييس پژوهشكده فيزيك پژوهشگاه دانش‌هاي بنيادي و مولف ايراني اين مقاله كه در شماره آينده مجله «ساينس» ــ معتبرترين نشريه علمي جهان ــ به چاپ خواهد رسيد در گفت‌گو با خبرنگار پژوهشي خبرگزاري دانشجويان ايران (ايسنا) خاطرنشان كرد كه اين مقاله نتيجه همكاري يك گروه نظري شامل وي، دكتر پولييني از ايتاليا و پروفسور آلن مك دونالد از آمريكا با يك گروه تجربي به سرپرستي پروفسور روتن برگ از دانشگاه بركلي آمريكا است.
وي خاطرنشان كرد: در كار تحقيقات اخير ما كه در شماره آتي مجله ساينس به چاپ مي رسد ما با اندازه گيري تابعِ طيفي حامل هاي بار در لايه گرافين تقريبا معلق، توسط طيف سنجي گسيل فوتوني با تفكيك زاويه‌يي (ARPES) و محاسبه نظري تابع بس ذره يي خود- انرژي حاصل از برهم كنش هاي بس ذره اي الكترون-الكترون و الكترون- فونون، نشان داده ايم، در گرافين آلاييده، طيف خطي متصور براي توصيف كامل حامل هاي برانگيخته بار كافي نيست. وجود شبه ذرات پلاسمارون كه ذرات باردار مقيد شده به مد دسته جمعي نوساني الكترون ها هستند و از محاسبات ما پيش بيني شده بود به طور تجربي تاكيد شد. در نهايت چه از نظر تجربي و چه از نظر نظري نشان داده ايم كه تك نقطه ديراك متعارف در فضاي فاز به نقطه تلاقي ديراك براي باند انرژي ذرات باردار، به نقطه تلاقي باند انرژي شبه ذرات پلاسمارون و همچنين حلقه بسته اي كه بين باندهاي باري و پلاسمارون تشكيل مي شود، تفكيك مي‌شود.
وي خاطرنشان كرد: گرافين (كربن دو بعدي) لايه‌اي از گرافيت به ضخامت يك اتم است كه اتم‌هاي كربن روي شبكه‌اي لانه زنبوري شكل (شش ضلعي منتظم) قرار گرفته‌اند. چنين لايه دو بعدي نه تنها پيوسته است بلكه يك كريستال با كيفيت بالا است به طوري كه حامل هاي بارمي توانند بدون پراكندگي مسافت حدود هزار برابر فاصله ي بين اتمي را بپيمايند. به عبارتي تحريك پذيري حامل‌ها در اين مواد بسيار بالاتر از بهترين فلز شناخته شده است.
عسگري افزود: چنين ساختار كريستالي دو بعدي با حذف ملايم بعد سوم به دست آمده وشديدا پايدار است. پس از ساخته شدن گرافين در آزمايشگاه در سال 2004 به علت رفتار شگفت‌آور و غير معمول اين سيستم دو بعدي و كاربردهاي عملي بالقوه اين ماده، تحقيقات گسترده‌اي بر روي اين ماده جديد صورت گرفت.
وي در خصوص خصوصيات اين ماده تصريح كرد: يكي از ويژگي هاي منحصر به فرد در گرافين، طبيعت خاص حامل‌هاي بار در آن است. در فيزيك ماده چگال، عموما به كارگيري معادله «شرودينگر» در توصيف خواص الكتروني مواد موفق است.
عسگري با تاكيد براين كه گرافين يك استثنا است، ادامه داد: حامل هاي بار گرافين از معادلات ذرات نسبيتي بدون جرم تبعيت مي كنند. هر چند كه هيچ مشخصه نسبيتي براي الكترون و حركت آن در حوالي اتم كربن وجود ندارد، چنين شبه ذراتي را فرميون هاي ديراك بدون جرم مي ناميم كه الكترون هايي هستند كه جرم سكونِ خود را از دست داده اند بنابراين معادله حاكم بر گرافين همانند معادله نوترينوي باردار است.
رييس پژوهشكده فيزيك پژوهشگاه دانش هاي بنيادي خاطرنشان كرد: به علت رابطه پاشندگي خطي در گرافين سرعت فرمي الكترون‌هاي كم انرژي ازمقدار انرژي آن مستقل است. در نتيجه گرافين نيمه فلزي بدون گاف انرژي است كه ساختار نواري آن در منطقه بريلوين مخروطي شكل است و نوار رسانش و نوار ظرفيت آن فقط در يك نقطه به نام نقطه ديراك همديگر را قطع مي‌كنند. در سال‌هاي اخير با نتايج حاصل از كارهاي تجربي و نظري فراواني كه براي بررسي ويژگي‌هاي الكترونيكي جالب اين ماده جديد به دست آمده ، به نظر مي‌رسد كه گرافين به علت قابليت آن در ساخته شدن در ابعاد بسيار كوچك (كوچكتر از 10 نانومتر) و بسياري ويژگي‌هاي مناسب الكتريكي و عملكرد با سرعت بالاتر نسبت به سيليكون نامزد مناسبي براي جايگزيني سيليكون و حركت به سمت نانوالكترونيك مدرن است.
وي تصريح كرد: پس از پيش بيني هاي اوليه نظريه كه گروه ما به دست آورد تصميم گرفته شد كه اين تئوري آزمايش شود. از اين رو پس از مشورت با گروه تجربي در بركلي كه يكي از قوي ترين گروه هاي تجربي در دنيا است به بررسي مشكلات احتمالي آن نيز پرداختيم. يكي از مشكلات تجربي وجود احتمالي گاف انرژي در اثر برهم كنش الكترون ها در گرافين با اتم هاي نا همگون زير لايه بود كه در اين مورد بنده به همراه يكي از دانشجويان دكتري خود به طور جداگانه اي نشان داديم كه وجود زير لايه برهم كنش ذرات آزاد با مد نوساني الكترون ها را مختل مي كنند و بنابر اين در چنين موادي شبه ذرات پلاسمارون تشكيل نمي شود. در طراحي آزمايشي كه از حدود يك و نيم سال پيش در دانشگاه بركلي آمريكا آغاز شد، تلاش كرديم صفحه گرافين تا حد امكان از زير لايه خود جدا باشد. گروه تجربي با ايده بسيار جالبي توانستند گرافين تقريبا معلق بسازند كه قابليت اندازه گيري تابع طيفي را داشته باشد.
وي ادامه داد: نتايج آزمايش‌ها نشان داد كه اولا تصور قبلي ما از گرافين كامل نبود و حال شناخت درست تري از ماهيت اصلي الكترون ها در گرافين داريم و دوم اينكه دريچه جديدي از كاربرد هاي بيشتر گرافين به روي دانشمندان گشوده شد. به طور مثال گرافين با چنين خصوصيات جديد را مي توان در صنعت فوتونيك براي ساخت ليزرهاي با فركانس تراهرتز به كار گرفت. در حقيقت با به كار گيري شبه ذرات پلاسماروني مي توان ادوات بسيار ريزي ساخت كه از ويژگي هاي الكتروني و فوتوني به طور همزمان پيروي مي كند و بدون شك اين مهم، تحول عظيمي در صنعت، ارتباطات راه دور، كامپيوترهاي نسل آينده كه بر مبناي محاسبات كوانتومي كار مي كنند و صنعت الكترونيك- فوتونيك خواهد داشت.
عسگري تصريح كرد: بر اساس نتايج به دست آمده در اين مقاله، گرافين كانديداي بسيار خوبي براي همبستگي بين صنعت فوتونيك والكترونيك است .
منبع ایسنا