客观日本

东大等明确石墨烯超导材料原子排列,有望实现零能耗高速纳米器件

2019年11月21日 化学材料

东京大学研究生院理学系研究科3年级博士生远藤由大及其教授长谷川修司,与早稻田大学理工学术院的专职讲师高山Akari、日本原子能研究开发机构先端基础研究中心的研究主任深谷有喜、高能加速器研究机构物质结构科学研究所的助教望月出海及金刚石研究员兵头俊夫等人组成的研究团队,利用名为“全反射高速正电子衍射法”(TRHEPD法)的实验方法,全球首次明确了碳原子层物质石墨烯与钙形成的具有超导特性的二维化合物的原子排列。另外研究团队还通过实验确认,这种原子排列显示出电阻为零的超导现象(图1)。此次查清了使用石墨烯的新化合物的原子排列,为利用石墨烯开发零能耗的超高速信息处理纳米器件等材料开辟了道路。

东大等明确石墨烯超导材料原子排列,有望实现零能耗高速纳米器件

图1:新化合物的原子排列

相关研究论文已于2019年10月25日发表在学术期刊《Carbon》的网络版上。

物质的性质与物质的原子排列密接相关,要想查清为何显现超导现象,就要准确了解其晶体结构。在生长于碳化硅基板的双层石墨烯中插入钙原子的化合物的超导现象具有巨大的应用潜力,但此前一直不清楚其原子排列的准确情况。在碳化硅基板上形成两层石墨烯时,两层石墨烯与基板之间还会形成一层与石墨烯非常相似的碳原子层,称为缓冲层。也就是说,包括碳原子层在内,具有层叠了3层的原子排列。以前一直认为其原子排列是在上面的两层石墨烯层之间插入了钙原子,但始终未能通过实验确认这种观点是否正确。

本研究利用能以高灵敏度检测样本最表面的原子排列信息的实验方法TRHEPD法,调查了碳化硅基板上插入钙的双层石墨烯的原子排列。全球首次通过实验确认,其实际原子排列与此前认为的不同,仅石墨烯与缓冲层之间插入了钙原子。研究团队还测量了该样本的电导率是如何随着温度变化的。结果发现,显示出了与过去的研究相同的超导特性。通过这一系列的研究,明确了碳化硅基板上插入钙的双层石墨烯的原子排列与物理性质之间的关系,可以详细研究超导表现机制。

此次的研究结果表明,即使是碳化硅基板上生长的单层石墨烯,也极有可能显现出超导特性。单层石墨烯的电子质量为零,也就是说,具备电子可以像光一样高速移动的特性,因此,通过结合该性质与超导特性,有望实现零能耗的超高速信息处理纳米器件。

论文信息
论文题目:Structure of superconducting Ca-intercalated bilayer Graphene/SiC studied using total-reflection high-energy positron diffraction
期刊名称:《Carbon》
DOI:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.070

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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