Hooked på fononer:Forskergruppe måler grafenvibrationer

En international forskergruppe ledet af forskere ved National Institute of Standards and Technologys (NIST) Center for Nanoscale Science and Technology har udviklet en metode til at måle krystalvibrationer i grafen. At forstå disse vibrationer er et kritisk skridt i retning af at kontrollere fremtidige teknologier baseret på grafen, en etatom tyk form for kulstof.

De rapporterer deres resultater i 19. 2015, spørgsmål af Fysiske anmeldelsesbreve .

Kulstofatomer i grafenplader er arrangeret i et regelmæssigt gentagende honeycomb-lignende gitter - en todimensionel krystal. Ligesom andre krystaller, når der tilføres tilstrækkelig varme eller anden energi, kræfterne, der binder atomerne sammen, får atomerne til at vibrere og sprede energien i hele materialet, beslægtet med, hvordan vibrationen af ​​en violins streng resonerer i hele violinens krop, når den spilles.

Og ligesom hver violin har sin egen unikke karakter, hvert materiale vibrerer ved unikke frekvenser. De kollektive vibrationer, som har frekvenser i terahertz-området (en milliard milliarder svingninger pr. sekund), kaldes fononer.

At forstå, hvordan fononer interagerer, giver fingerpeg om, hvordan man sætter ind, tage ud eller flytte energi rundt inde i et materiale. I særdeleshed, At finde effektive måder at fjerne varmeenergi er afgørende for den fortsatte miniaturisering af elektronik.

En måde at måle disse bittesmå vibrationer på er at kaste elektroner ud af materialet og måle, hvor meget energi elektronerne har overført til de vibrerende atomer. Men det er svært. Teknikken, kaldet uelastisk elektrontunnelspektroskopi, fremkalder kun et lille blip, der kan være svært at udvælge over mere voldsomme forstyrrelser.

"Forskere står ofte over for at finde måder at måle mindre og mindre signaler på, " siger NIST-forsker Fabian Natterer, "For at undertrykke kaoset og få greb om de små signaler, vi bruger selve signalets helt distinkte egenskaber."

I modsætning til en violin, der lyder ved det letteste tryk, ifølge Natterer, fononer har en karakteristisk tærskel energi. Det betyder, at de ikke vibrerer, medmindre de får den helt rigtige mængde energi, som det, der leveres af elektronerne i et scanning tunneling mikroskop (STM).

For at filtrere fononernes signal fra andre distraktioner, NIST-forskere brugte deres STM til systematisk at ændre antallet af elektroner, der bevæger sig gennem deres grafenenhed. Da antallet af elektroner var varieret, de uønskede signaler varierede også i energi, men fononerne forblev faste ved deres karakteristiske frekvens. Gennemsnit af signalerne over de forskellige elektronkoncentrationer fortyndede de irriterende forstyrrelser, men forstærkede fononsignalerne.

Holdet var i stand til at kortlægge alle grafenfononerne på denne måde, og deres resultater stemte godt overens med deres Georgia Tech-samarbejdspartneres teoretiske forudsigelser.

Ifølge NIST Fellow Joe Stroscio, at lære at udvælge fononernes signal gjorde dem i stand til at observere en ejendommelig og overraskende adfærd.

"Fononsignalintensiteten faldt kraftigt, da vi skiftede grafenladningsbæreren fra huller til elektroner - positive til negative ladninger, " siger Stroscio. "Et fingerpeg om, hvad der i første omgang forstærker fononernes signaler og derefter får dem til at falde af, er hviskende galleritilstande, som bliver fyldt med elektroner og stopper fononerne i at vibrere, når vi skifter fra hul- til elektrondoping."

Holdet bemærker, at denne effekt ligner resonans-inducerede effekter set i små molekyler. De spekulerer i, at hvis den samme effekt skete her, det kunne betyde, at systemet - grafen og STM - efterligner et kæmpe molekyle, men siger, at de stadig ikke har et solidt teoretisk grundlag for, hvad der sker.

Den grafiske enhed med høj renhed blev fremstillet af NIST -forsker Y. Zhao i Center for Nanoscale Science and Technology's Nanofab, en national brugerfacilitet til rådighed for forskere fra industrien, akademi og regering.