碳纳米结构中的电子相关性

 
石墨烯纳米带(中心)由单层蜂窝碳原子组成。碳带只有几个碳原子宽，并且根据其形状和宽度具有不同的电特性。电子的局部密度在边缘处增加，如框中的暗红色区域所示。图片来源：基尔大学需要新材料来进一步减小电子组件的尺寸，从而使笔记本电脑和智能手机等设备更快，更高效。在这方面，新型材料石墨烯的微小纳米结构很有希望。石墨烯由单层碳原子组成，并且具有极高的电导率。然而，这种纳米结构的极端空间限制强烈影响了它们的电子性能。基尔大学理论物理与天体物理研究所(ITAP)的迈克尔·博尼兹教授(Michael Bonitz)教授领导的团队现已成功使用精心设计的计算模型来模拟这些特殊纳米结构中电子的详细行为。该知识对于在电子设备中潜在使用石墨烯纳米结构至关重要。
纳米结构中电子性质的精确模拟
去年，两个研究团队在制造窄的，原子精确的石墨烯纳米带并测量其电子能量方面彼此独立取得了成功。纳米带的宽度以精确控制的方式变化。纳米带的每个部分都有自己的能态和电子结构。 “但是，以前的理论模型无法完全再现测量结果，” ITAP统计物理学主席鲍尼茨说。连同他的博士学位来自丹麦技术大学(DTU)的学生Jan-Philip Joost和他们的丹麦同事Antti-Pekka Jauho教授开发了改进的模型，并与实验取得了很好的一致性。物理学家们在本期著名的《纳米快报》上发表了他们的理论成果。
新的和更精确的计算机模拟的基础是这样一个假设，即实验和以前的模型之间的偏差是由电子相互排斥的细节引起的。尽管这种库仑相互作用也存在于金属中，并且确实以较粗略的方式包含在早期的模拟中，但在小型石墨烯纳米带中的作用要大得多，因此需要进行详细的分析。电子被从其原始的能量状态驱逐出去，必须“寻找”其他地方，正如Bonitz解释的那样：“我们能够证明由于电子的库仑相互作用而产生的相关效应对局部能谱具有显着影响” 。
纳米带的形状决定了它们的电子性能
研究小组通过研究许多这样的纳米带已经弄清了电子的允许能量值如何取决于纳米结构的长度，宽度和形状。 Joost补充说：“当改变纳米带的几何形状，宽度和形状时，能谱也会改变。”哥本哈根DTU的Jauho说：“这是我们的新数据首次使人们能够精确预测如何通过特定地改变纳米带的形状来控制能谱。”研究人员希望这些预测现在也可以通过实验进行检验，并导致开发新的纳米结构。这样的系统可以为电子的进一步小型化做出重要贡献。