گروهی از پژوهشگران دانشکده مهندسی کلمبیا که تخصص ویژهای در ساخت مواد نانومقیاس دارند، اخیرا به موفقیت حائز اهمیتی در فیزیک و علم مواد دست یافتهاند. نتایج موفقیت این دانشمندان در مقاله‌ای در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است. این تیم تحقیقاتی با همکاری دانشگاههای پرینستون، پوردو و یک موسسه فناوری در ایتالیا، برای اولین بار اقدام به ساخت نوعی از "گرافن مصنوعی" کردهاند که با ساختار الکترونیکی خاصی طراحی شده و در ابزارهای نیمههادی مورد استفاده قرار میگیرد.
دکتر Aron Pinczuk، استاد فیزیک کاربردی دانشکده مهندسی کلمبیا و نویسنده ارشد در این مقاله، اظهار داشت: "این پژوهش آغازگر مرحله جدیدی در علم مواد و نانوساختارهاست. درحالیکه قبلا از گرافن مصنوعی در کاربردهایی نظیر شبکههای فوتونیک، مولکولی و اپتیکی استفاده شده است، اما این پلتفرمها فاقد انطباقپذیری و پتانسیلهای ارائه شده در فناوریهای پردازش نیمههادیها هستند. دستگاههای نیمههادی با گرافن مصنوعی میتوانند پلتفرمهایی را برای کشف نوع جدیدی از سوئیچهای الکترونیکی، ترانزیستورهای با خواص ویژه و حتی شاید روشهای جدید ذخیرهسازی اطلاعات، براساس حالتهای مکانیک کوانتومی ایجاد کنند."
در گرافن طبیعی، تمامی اتمها در یک نظم اتمی خاص قرار میگیرند و موقعیت آنها در شبکه گرافن ثابت است و بههمین دلیل تمام آزمایشها بر روی گرافن، بایستی با این محدودیت اتمی سازگار باشد. این درحالی است که در گرافن مصنوعی، میتوان شبکهی اتمی را در طیف گستردهای از فواصل و پیکربندیها، به گونه‌ای دلخواه طراحی کرد. ساخت گرافن مصنوعی، دستیابی به یک هدف ستودنی برای محققین مواد چگال است، چرا که گرافن مصنوعی از نظر انطباقپذیری، خواص بهتری را نسبت به گرافن طبیعی ایجاد میکند.
Shalom Wind عضو هیئت علمی گروه فیزیک و ریاضیات کاربردی دانشگاه کلمبیا بیان کرد: "این حوزه از فناوری نانو در تحقیقات، به سرعت در حال گسترش است و ما پدیدههای جدیدی را کشف کردهایم که قبل از آن ندیده بودیم. زمانی که ما با مفهوم ابزار جدید بر پایه کنترل الکتریکی از طریق گرافن مصنوعی آشنا شدیم، توانستیم قفل پتانسیل گسترش مرزها را در اپتوالکترونیک پیشرفته و پردازش داده باز کنیم."
در این پژوهش از گالیم آرسناید که یک ماده نیمههادی استاندارد و ابزاری متداول در تراشههای الکترونیکی است، برای توسعه با گرافن مصنوعی استفاده شده است. این پژوهشگران توانستهاند یک ساختار لایهای طراحی کنند تا الکترونها بتوانند فقط در یک لایه خیلی نازک حرکت کنند و بهطور موثری یک ورق دو بعدی را ایجاد نمایند. آنها از نانولیتوگرافی و اچینگ برای طراحی الگوریتم گالیم آرسناید استفاده کردهاند و یک شبکه هگزاگونال ایجاد کردند که در آن الکترونها از جهت جانبی محدود شدهاند. قرار دادن این سایتها که بهعنوان "اتم‌های مصنوعی" شناخته میشوند و به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک هستند (با فاصله 50 نانومتری)، به ابزارهای نیمههادی اجازه میدهد تا از مسیرهای مکانیک کوانتومی، با هم برهمکنش داشته باشند. این سیستم شبیه اتمهایی که در جامدات الکترونها را به اشتراک میگذارد، عمل میکند.
تیم تحقیقاتی Aron Pinczuk، حالتهای الکترونیکی شبکههای مصنوعی را با تابش نور لیزر بر روی آنها و اندازهگیری نور پراکنده شده، بررسی کردند. نور پراکنده شده، اتلاف انرژی را نشان میدهد که مطابق با انتقال انرژی الکترون از یک حالت به حالت دیگر است. هنگامی که این انتقالها روئیت شد، آنها متوجه شدند که به صورت خطی به نقطه صفر در اطراف آنچه که "نقطه دیراک" نامیده میشود دست یافتهاند. در واقع جایی که تراکم الکترونی به صفر میرسد، نشانه دهنده گرافن است.
مزایایی گرافن مصنوعی چندین برابر، بیشتر از گرافن طبیعی است. بهطور مثال، محققان میتوانند تغییراتی را در شبکه لانه زنبوری گرافن طراحی کنند و از این طریق رفتار الکترونیکی ماده را تنظیم نمایند. آنها حتی میتوانند پدیدههای کوانتومی جالب دیگری را با استفاده از یک میدان مغناطیسی مشاهده کنند، زیرا فاصله بین نقاط کوانتومی در گرافن مصنوعی بسیار بزرگتر از فاصله بین اتمی، در گرافن طبیعی است.
