Onderzoekers van het Max-Born-Institut in Berlijn hebben ontdekt dat grafiet zich op de ultrakorte tijdschaal gedraagt als een halfgeleider. Dit is van belang voor toekomstige elektronische onderdelen van koolstof, die moeten werken bij hoge elektrische spanningen of hoge frequenties. Ze namen de bewegingen van de elektronen waar met een tijdspanne van 10 fs.
Grafiet is opgebouwd uit lagen van in regelmatige zeshoeken gerangschikte koolstofatomen (foto). De chemische verbindingen binnen de lagen zijn zeker vijftig keer sterker dan tussen de lagen onderling, waardoor deze gemakkelijk te scheiden zijn. Deze eigenschap wordt benut bij een potloodstift. Een aparte koolstoflaag duidt men aan als grafiet.
Nanomaterialen van koolstof hebben unieke eigenschappen, die voor het eerst toepassing vonden in elektronische componenten en sensoren. De basis van deze materialen wordt gevormd door dunne atomaire lagen van regelmatig gerangschikte koolstofatomen, bijvoorbeeld een aparte egale laag grafiet of opgerolde laagjes van koolstof nanobuisjes. De eigenschappen van elektronen in dergelijke lagen komen overeen met die in grafietkristallen, die uit een stapel van veel lagen grafiet bestaat. Ondanks intensief onderzoek is het elementair gedrag van de elektronen niet volledig duidelijk en staat ter discussie.
Koolstof als halfgeleider
Wetenschappers van het Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlijn hebben het gedrag van elektronen in dunne kristallijn grafietlagen in real-time onderzocht. Ze slaagden er in de bewegingen van de elektronen met een tot nog toe onbereikbare tijdspanne van 10 fs waar te nemen (1 fs = 1 femtoseconde = 10-15 s). Daartoe brachten zij elektronen met ultrakorte laserimpulsen op een hoger energieniveau en bekeken de terugkeer naar het evenwicht. Aparte stappen van dit verloop zijn in de tijd te scheiden om zodoende de verdeling van de elektronen in de verschillende toestanden vast te stellen.
Deze onderzoeken tonen voor het eerst dat grafiet zich op ultrakorte tijdschalen gedraagt als een halfgeleider (zoals silicium of gallium-arseen) en niet als een metaal. De waargenomen dynamiek van de elektronen heeft een sterke invloed op de elektrische transport bijvoorbeeld van stromen, die met hoge frequenties door het materiaal gaan. De waarnemingen zijn van elementair belang voor toekomstige elektronische componenten van koolstof bij hoge spanning of hoge frequentie.
Beeld van de dynamiek van de ladingdragers in grafiet tijdens de eerste 1000 femtoseconden.
Dynamica
Bovenstaande foto geeft de ladingdragerdynamica in grafiet tijdens de eerste 1000 fs weer. De kegelvormige structuur toont de energietoestanden van de elektronen. Daarbij is de energie van het elektron als functie van zijn impuls aangegeven in de richtingen kx en ky (zogenaamde elektronische bandstructuur). Rood gekleurde toestanden zijn bezet, grijs gekleurde onbezet. Voor de activering door de ultrakorte lichtpuls zijn de toestanden op de onderste kegel volledig bezet.
De stimulatie van de lichtimpuls op het tijdstip nul activeert een deel van de elektronen in de bovenste kegel, waardoor een band op de onderste kegel leeg wordt (grijs) en een band op de bovenste kegel wordt bezet (rood). De elektronen verlaten deze direct geactiveerde toestanden binnen 30 fs en nemen als heet gas met een temperatuur van ca. 2500 °C een brede marge van toestanden aan (grafiek voor 30 fs). Daarna koelen de elektronen binnen 200 fs af tot 500 °C, doordat ze hun energie aan het kristalrooster afgeven.
Dit leidt tot een concentratie van elektronen in het onderste deel van de bovenste kegels en een overeenkomstig breed gebied van onbezette toestanden in het bovenste deel van de onderste kegels. In een beduidend langere tijd keren de elektronen uit de bovenste in de onderste kegels terug waardoor de oorspronkelijke verdeling van voor de activering wordt hersteld.
