Mikroskopi afslører atomantenneadfærd i grafen

Defekter på atomniveau i grafen kan være en vej frem til mindre og hurtigere elektroniske enheder, ifølge en undersøgelse ledet af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Med unikke egenskaber og potentielle anvendelser inden for områder fra elektronik til bioenheder, grafen, som består af et enkelt ark af carbonatomer, er blevet hyldet som en stigende stjerne i materialeverdenen. Nu, en ORNL-undersøgelse offentliggjort i Natur nanoteknologi tyder på, at punktfejl, sammensat af siliciumatomer, der erstatter individuelle kulstofatomer i grafen, kunne hjælpe forsøg på at overføre data på atomær skala ved at koble lys med elektroner.

"I dette proof of concept-eksperiment, vi har vist, at en lille ledning, der består af et par enkelte siliciumatomer i grafen, kan bruges til at omdanne lys til et elektronisk signal, transmittere signalet og derefter konvertere signalet tilbage til lys, " sagde medforfatter Juan-Carlos Idrobo, som har en fælles ansættelse ved ORNL og Vanderbilt University.

Et ORNL-ledet team opdagede denne nye adfærd ved at bruge aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi til at afbilde plasmonresponsen, eller optisk-lignende signaler, af punktfejlene. Holdets analyse viste, at siliciumatomerne fungerer som antenner i atomstørrelse, forstærkning af den lokale overfladeplasmonrespons af grafen, og skabe en prototypisk plasmonisk enhed.

"Ideen med plasmoniske enheder er, at de kan konvertere optiske signaler til elektroniske signaler, " sagde Idrobo. "Så du kunne lave rigtig små ledninger, sæt lys i den ene side af ledningen, og det signal vil blive omdannet til kollektive elektronexcitationer kendt som plasmoner. Plasmonerne vil transmittere signalet gennem ledningen, kom ud på den anden side og bliv konverteret tilbage til lys."

Selvom andre plasmoniske anordninger er blevet påvist, tidligere forskning i overfladeplasmoner har primært været fokuseret på metaller, hvilket har begrænset den skala, hvormed signaloverførslen sker.

"Når forskere bruger metal til plasmoniske enheder, de kan normalt kun komme ned til 5 - 7 nanometer, " sagde medforfatter Wu Zhou. "Men når du vil gøre tingene mindre, du vil altid kende grænsen. Ingen troede, at vi kunne komme ned på et enkelt atomniveau."

Dybdegående analyse på niveau med et enkelt atom blev muliggjort gennem holdets adgang til et elektronmikroskop, der er en del af ORNLs Shared Research Equipment (ShaRE) User Facility.

"Det er et af kun få elektronmikroskoper i verden, som vi kan bruge til at se på og studere materialer og opnå krystallografi, kemi, binding, optiske og plasmonegenskaber på atomær skala med enkeltatoms følsomhed og ved lave spændinger, " sagde Idrobo. "Dette er et ideelt mikroskop for folk, der ønsker at forske i kulstofbaserede materialer, såsom grafen."

Ud over dets mikroskopiske observationer, ORNL-teamet brugte teoretiske beregninger med første principper for at bekræfte stabiliteten af ​​de observerede punktdefekter. Hele papiret, med titlen "Atomically Localized Plasmon Enhancement in Monolayer Graphene, " er tilgængelig online her:http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.252.html.