Elektrificeret grafen en lukker for lys

(Phys.org) -- En påført elektrisk spænding kan få en centimeter-kvadrat skive grafen til at ændre og kontrollere transmissionen af ​​elektromagnetisk stråling med bølgelængder fra terahertz til midinfrarød.

Eksperimentet på Rice University fremmer videnskaben om at manipulere bestemte bølgelængder af lys på måder, der kunne være nyttige i avanceret elektronik og optoelektroniske sensorenheder.

I tidligere arbejde, fysikeren Junichiro Konos ris-laboratorium fandt en måde at bruge arrays af kulstof-nanorør som en næsten perfekt terahertz-polarisator. Denne gang, holdet ledet af Kono arbejder på et endnu mere grundlæggende niveau; forskerne forbinder et ark grafen – den et-atom-tykke form af kulstof – for at påføre en elektrisk spænding og dermed manipulere det, der er kendt som Fermi-energi. At, på tur, lader grafenen fungere som en sigte eller en lukker for lys.

Opdagelsen af ​​Kono og hans kolleger ved Rice og Institute of Laser Engineering ved Osaka University blev rapporteret online i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

I grafen, "elektroner bevæger sig som fotoner, eller lys. Det er det hurtigste materiale til at flytte elektroner ved stuetemperatur, " sagde Kono, en professor i elektro- og computerteknik og i fysik og astronomi. Han bemærkede, at mange grupper har undersøgt grafens eksotiske elektriske egenskaber ved nul- eller lave frekvenser.

"Der har været teoretiske forudsigelser om de usædvanlige terahertz og midinfrarøde egenskaber af elektroner i grafen i litteraturen, men næsten intet var blevet gjort eksperimentelt i dette område, " sagde Kono.

Nøglen til det nye arbejde, han sagde, er ordene "stort område" og "indhegnet".

"Store, fordi infrarød og terahertz har lange bølgelængder og er svære at fokusere på et lille område, " sagde Kono. "Gated betyder simpelthen, at vi tilsluttede elektroder, og ved at påføre en spænding mellem elektroderne og (silicium)substratet, vi kan tune Fermi-energien."

Fermi-energi er energien af ​​den højest besatte kvantetilstand af elektroner i et materiale. Med andre ord, den definerer en linje, der adskiller kvantetilstande, der er optaget af elektroner, fra de tomme tilstande. "Afhængig af værdien af ​​Fermi-energien, grafen kan enten være p-type (positiv) eller n-type (negativ), " sagde han.

At lave fine målinger krævede, hvad der i nano-verdenen anses for at være et meget stort ark grafen, selvom det var lidt mindre end et frimærke. Den kvadratcentimeter atomtykt kulstof blev dyrket i laboratoriet hos Rice-kemikeren James Tour, en medforfatter af papiret, og guldelektroder blev fastgjort til hjørnerne.

Forøgelse eller sænkning af den påførte spænding tunede Fermi-energien i grafenarket, hvilket igen ændrede tætheden af frie bærere der er gode absorbere af terahertz og infrarøde bølger. Dette gav grafenarket evnen til enten at absorbere nogle eller alle terahertz- eller infrarøde bølger eller lade dem passere. Med et spektrometer, holdet fandt ud af, at terahertz-transmission toppede med næsten nul Fermi-energi, omkring plus-30 volt; med mere eller mindre spænding, grafenen blev mere uigennemsigtig. Til infrarød, effekten var den modsatte, han sagde, da absorptionen var stor, når Fermi-energien var tæt på nul.

"Dette eksperiment er interessant, fordi det lader os studere de grundlæggende terahertz-egenskaber for frie bærere med elektroner (forsynet af gatespændingen) eller uden, " sagde Kono. Forskningen udvidede til at omfatte analyse af de to metoder, hvormed grafen absorberer lys:gennem interband (for infrarød) og intraband (for terahertz) absorption. Kono og hans team fandt ud af, at variation af bølgelængden af ​​lys indeholdende både terahertz- og infrarøde frekvenser muliggjorde en overgang fra absorptionen af ​​den ene til den anden. "Når vi varierer fotonenergien, vi kan glide overgangen fra intraband-terahertz-regimet til det interband-dominerede infrarøde. Dette hjælper os med at forstå den fysik, der ligger til grund for processen, " sagde han.

De fandt også ud af, at termisk udglødning - opvarmning - af grafen renser den for urenheder og ændrer dens Fermi-energi, han sagde.

Kono sagde, at hans laboratorium vil begynde at bygge enheder, mens han undersøger nye måder at manipulere lys på, måske ved at kombinere grafen med plasmoniske elementer, der ville tillade en finere grad af kontrol.

Medforfattere til papiret inkluderer tidligere Rice-kandidatstuderende Lei Ren, juni Yao og Zhengzong Sun; Ris kandidatstuderende Qi Zhang; Ris postdoktorale forskere Zheng Yan og Sébastien Nanot; tidligere Rice-postdoc-forsker Zhong Jin; og kandidatstuderende Ryosuke Kaneko, assisterende professor Iwao Kawayama og professor Masayoshi Tonouchi fra Laser Engineering Institute, Osaka Universitet.