Infrarød absorption forstærket af lagdeling af ark af grafen

(Phys.org) – Siden opdagelsen i 2004, grafen er blevet hyldet som et "vidundermateriale" på grund af dets næsten utrolige egenskaber. På kun et atom tykt, et enkelt todimensionelt lag er stærkere end diamant, leder elektricitet bedre end kobber, og leder varme bedre end noget kendt materiale. Det sekskantede honeycomb-gitter, der udgør materialet, giver mulighed for ekstrem fleksibilitet, men giver også det mest uigennemtrængelige materiale, der nogensinde er fundet, lukker selv de mindste heliumatomer ude.

Og når plader af grafen stables, den resulterende "få-lags grafen" kan enten fungere som et halvmetal eller en halvleder, afhængig af rækkefølgen og tykkelsen af ​​lagene.

Undersøgelser af virkningerne af stablingsrækkefølge på grafen er i relativ vorden, men nylige eksperimenter fra forskere, der arbejder ved National Synchrotron Light Source ved Brookhaven National Laboratory, har kastet lys over dette materiales kamæleoniske natur.

Et team af forskere, ledet af Tony Heinz fra Columbia University, sammenlignede infrarød absorption af få-lags grafenprøver stablet på to måder:et zigzag ABA-mønster kaldet Bernal stacking, i hvilke matchede top- og bundlag indlejrer et tredje lag, der er forskudt af et atoms længde; og et romboedrisk ABC-mønster, hvor det øverste lag er forskudt endnu et atoms længde væk fra det midterste ark af grafen.

Denne lille forskydning i det øverste lag af grafen er alt, der skal til for at få materialets grundlæggende egenskaber til at ændre sig. Holdet fandt ud af, at omarrangering af lagene til en ABC-stablingsrækkefølge øger mængden af ​​infrarødt lys drastisk, som fålags grafen absorberer i selektive bølgelængdeområder. Det er lidt ligesom hvis man arrangerede legoklodser i forskellige mønstre og fandt ud af, at de skiftede farver som følge heraf.

Dette skyldes, at ændringer i stablingsrækkefølgen ændrer mængden af ​​tilgængelige tilstande for elektroner til at leve både i hvile, og når de er ophidsede efter at have absorberet infrarødt lys. Holdet fandt også ud af, at fononer - de mekaniske vibrationer af carbonatomerne, der danner hvert grafenark - også påvirkes af stablearrangementet på grund af deres stærke forbindelse med de elektroniske excitationer. Når den elektroniske absorption vokser, fononabsorptionen vokser også.

Ved hjælp af NSLS, de var i stand til nøjagtigt at måle mængden af ​​infrarødt lys, som disse forskelligt stablede prøver absorberede. "De få-lags grafenprøver, vi undersøgte, er alle meget små, så lille som ti mikrometer i størrelse, " sagde Columbia University fysiker Zhiqiang Li. "Synkrotronstrålingen er afgørende for vores målinger, fordi den har meget høj intensitet og kan fokuseres til en lille plet på vores prøver, som muliggør infrarøde målinger med et godt signal-til-støj-forhold."

Li sagde, at yderligere udforskning af grafens fleksible og kontrollerbare egenskaber kan føre til en bred vifte af anvendelser inden for elektronik og fotonik, såsom solpaneler eller fotodetektorer.

Forskningen blev udført af forskere fra Columbia University, det spanske nationale forskningsråd, Italiens nationale forskningsråd, Sapienza Universitet, Case Western Reserve University, og Brookhaven National Laboratory.