Plasmonik viser løfte om optisk induceret grafenelektronik

(Phys.org) - Risuniversitets forskere doper grafen med lys på en måde, der kan føre til mere effektivt design og fremstilling af elektronik, samt nye sikkerheds- og kryptografienheder.

Producenter doper silicium kemisk for at justere dets halvledende egenskaber. Men gennembruddet rapporteret i American Chemical Society journal ACS Nano beskriver et nyt koncept:plasmoninduceret doping af grafen, den ultrasterke, meget ledende, enkeltatom-tyk form af kulstof.

Det kunne lette den øjeblikkelige oprettelse af kredsløb - optisk induceret elektronik - på grafen mønstret med plasmoniske antenner, der kan manipulere lys og injicere elektroner i materialet for at påvirke dets ledningsevne.

Forskningen inkorporerer både teoretisk og eksperimentelt arbejde for at vise potentialet for at gøre enkle, grafenbaserede dioder og transistorer på forespørgsel. Arbejdet blev udført af risforskere Naomi Halas, Stanley C. Moore Professor i elektrisk og computerteknik, professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik og astronomi og direktør for Laboratoriet for Nanofotonik; og Peter Nordlander, professor i fysik og astronomi og i el- og computerteknik; fysiker Frank Koppens fra Institute of Photonic Sciences i Barcelona, Spanien; hovedforfatter Zheyu Fang, en postdoktor ved Rice; og deres kolleger.

"En af de største begrundelser for grafenforskning har altid handlet om elektronik, "Nordlander sagde." Folk, der kender silicium, forstår, at elektronik kun er mulig, fordi den kan være p- og n-dopet (positiv og negativ), og vi lærer, hvordan dette kan gøres på grafen.

"Doping af grafen er en vigtig parameter i udviklingen af ​​grafenelektronik, "sagde han." Du kan ikke købe grafenbaserede elektroniske enheder nu, men der er ingen tvivl om, at producenterne gør en stor indsats for det på grund af dets potentielle høje hastighed. "

Forskere har undersøgt mange strategier for doping af grafen, herunder vedhæftning af organiske eller metalliske molekyler til dets sekskantede gitter. At gøre det selektivt - og reversibelt - modtageligt for doping ville være som at have en grafentavle, hvorpå kredsløb kan skrives og slettes efter behag, afhængigt af farverne, vinkler eller polarisering af lyset, der rammer det.

Evnen til at vedhæfte plasmoniske nanoantenner til grafen giver netop en sådan mulighed. Halas og Nordlander har betydelig ekspertise i manipulation af kvasipartiklerne kendt som plasmoner, som kan blive bedt om at svinge på overfladen af ​​et metal. I tidligere arbejde, det lykkedes dem at deponere plasmoniske nanopartikler, der fungerer som fotodetektorer på grafen.

Disse metalpartikler reflekterer ikke så meget lys som omdirigerer dets energi; plasmonerne, der flyder i bølger over overfladen, når de ophidses, udsender lys eller kan især skabe "varme elektroner", kontrollerbare bølgelængder. Tilstødende plasmoniske partikler kan interagere med hinanden på måder, der også kan indstilles.

Denne effekt kan let ses i grafer over materialets Fano -resonans, hvor de plasmoniske antenner kaldte nonamer, hver lidt mere end 300 nanometer på tværs, spred klart lys fra en laserkilde undtagen ved den specifikke bølgelængde, som antennerne er indstillet til. Til ris -eksperimentet, disse nonamer-otte nanoskala guldskiver, der var anbragt omkring en større skive-blev deponeret på et ark grafen gennem elektronstråle litografi. Nonamererne blev indstillet til at sprede lys mellem 500 og 1, 250 nanometer, men med destruktiv interferens på omkring 825 nanometer.

På tidspunktet for destruktiv interferens, det meste af den indfaldende lysenergi omdannes til varme elektroner, der overføres direkte til grafenarket og ændrer dele af arket fra en leder til en n-dopet halvleder.

Arranger af antenner kan påvirkes på forskellige måder og tillade fantomkredsløb at materialisere sig under påvirkning af lys. "Quantum dot og plasmoniske nanopartikelantenner kan indstilles til at reagere på stort set enhver farve i det synlige spektrum, "Nordlander sagde." Vi kan endda indstille dem til forskellige polariseringstilstande, eller formen på en bølgefront.

"Det er magien ved plasmonik, "sagde han." Vi kan indstille plasmonresonansen, som vi vil. I dette tilfælde, vi besluttede at gøre det ved 825 nanometer, fordi det er midt i spektralområdet for vores tilgængelige lyskilder. Vi ville vide, at vi kunne sende lys i forskellige farver og ikke se nogen effekt, og ved den pågældende farve se en stor effekt. "

Nordlander sagde, at han forudser en dag, hvor, i stedet for at bruge en nøgle, folk kan bølge en lommelygte i et bestemt mønster for at åbne en dør ved at fremkalde kredsløb til en lås efter behov. "Åbning af en lås bliver en direkte begivenhed, fordi vi sender de rigtige lys mod substratet og skaber de integrerede kredsløb. Det vil kun svare på mit opkald, " han sagde.