Ny platform genererer hybrid lys-stof excitationer i højt ladet grafen

grafen, et atomisk tyndt kulstoflag, hvorigennem elektroner kan bevæge sig næsten uhindret, er blevet grundigt undersøgt siden den første vellykkede isolation for mere end 15 år siden. Blandt dets mange unikke egenskaber er evnen til at understøtte stærkt begrænsede elektromagnetiske bølger koblet til svingninger af elektronisk ladning - plasmonpolaritoner - som har potentielt brede anvendelser inden for nanoteknologi, herunder biosensing, kvanteinformation, og solenergi.

Imidlertid, for at understøtte plasmonpolaritoner, grafen skal oplades ved at påføre en spænding til en nærliggende metalport, hvilket i høj grad øger størrelsen og kompleksiteten af ​​enheder i nanoskala. Columbia University-forskere rapporterer, at de har opnået plasmonisk aktiv grafen med rekordhøj ladningstæthed uden en ekstern port. De opnåede dette ved at udnytte ny mellemlagsladningsoverførsel med en todimensionel elektronacceptor kendt som α-RuCl3. Undersøgelsen er nu tilgængelig online som en artikel med åben adgang og vil blive vist i 9. december-udgaven af Nano bogstaver.

"Dette arbejde giver os mulighed for at bruge grafen som et plasmonisk materiale uden metalporte eller spændingskilder, gør det muligt at skabe selvstændige grafen plasmoniske strukturer for første gang," sagde co-PI James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering.

Alle materialer har en egenskab kendt som en arbejdsfunktion, som kvantificerer hvor tæt de kan holde på elektroner. Når to forskellige materialer bringes i kontakt, elektroner vil bevæge sig fra materialet med den mindre arbejdsfunktion til materialet med den større arbejdsfunktion, får førstnævnte til at blive positivt ladet og sidstnævnte til at blive negativt ladet. Dette er det samme fænomen, der genererer statisk ladning, når du gnider en ballon mod dit hår.

α-RuCl3 er unik blandt nanomaterialer, fordi det har en usædvanlig høj arbejdsfunktion, selv når det eksfolieres ned til et eller få atom-tykt 2-D lag. Ved dette, Columbia-forskerne skabte stakke i atomskala bestående af grafen oven på α-RuCl3. Som forventet, elektroner blev fjernet fra grafen, hvilket gør det meget ledende og i stand til at være vært for plasmonpolaritoner - uden brug på en ekstern gate.

Brug af α-RuCl3 til at oplade grafen giver to hovedfordele i forhold til elektrisk gating. α-RuCl3 inducerer meget større ladning, end der kan opnås med elektriske porte, som er begrænset af nedbrydning af den isolerende barriere med grafen. Ud over, afstanden mellem grafen og den underliggende gateelektrode udvisker grænsen mellem ladede og ikke-ladede områder på grund af "elektriske felter". Dette forhindrer realisering af skarpe ladningstræk i grafenen og langs grafenkanten, der er nødvendige for at manifestere nye plasmoniske fænomener. I modsætning, ved kanten af ​​α-RuCl3, ladningen i grafen falder til nul på næsten atomskalaen.

"En af vores største præstationer i dette arbejde er at opnå ladningstætheder i grafen, der er cirka 10 gange større end de grænser, der pålægges af dielektrisk nedbrydning i en standard gated enhed, " sagde undersøgelsens ledende PI Dmitri Basov, professor i fysik. "I øvrigt, da α-RuCl3 - kilden til elektronisk ladning - er i direkte kontakt med grafen, grænserne mellem de ladede og uladede områder i grafenen er knivskarpe. Dette giver os mulighed for at observere spejllignende plasmonrefleksion fra disse kanter og skabe historisk undvigende endimensionelle kantplasmoner, der forplanter sig langs grafenkanten." Holdet observerede også skarpe grænser ved "nano-bobler, "hvor forurenende stoffer fanget mellem de to lag forstyrrer ladningsoverførslen.

"Vi var meget spændte på at se, hvor brat grafenladningstætheden kan ændre sig i disse enheder, " sagde Daniel Rizzo, en postdoc forsker med Basov og hovedforfatteren på papiret. "Vores arbejde er et proof-of-concept for nanometerladningskontrol, der tidligere var fantasiens rige."

Arbejdet blev udført i Energy and Frontier Research Centre on Programmable Quantum Materials finansieret af United States Department of Energy og ledet af Basov. Forskningsprojektet brugte fælles faciliteter drevet af Columbia Nano Initiative.

Forskerne forfølger nu ruter til at bruge ætset α-RuCl3 som en platform til at generere brugerdefinerede ladningsmønstre i nanoskala i grafen for præcist at justere den plasmoniske adfærd i henhold til forskellige praktiske anvendelser. De håber også at demonstrere, at α-RuCl3 kan forbindes med en bred vifte af 2-D-materialer for at få adgang til nye materialeadfærd, der kræver den usædvanligt høje ladningstæthed, der er givet af mellemlagsladningsoverførsel demonstreret i deres manuskript.

Hone bemærkede, "Når vores mellemlags ladningsoverførselsteknik kombineres med eksisterende procedurer til mønstre af 2D-substrater, vi kan nemt generere skræddersyede ladningsmønstre i nanoskala i grafen. Dette åbner op for et væld af nye muligheder for nye elektroniske og optiske enheder."