Автор AZoNano 3 декабря 2020 г.

Графен, атомарно тонкий углеродный слой, через который электроны могут проходить практически беспрепятственно, широко изучался с момента его первого успешного выделения более 15 лет назад.

Среди его многих уникальных свойств – способность поддерживать сильно ограниченные электромагнитные волны, связанные с колебаниями электронного заряда – плазмонными поляритонами, – которые потенциально имеют широкое применение в нанотехнологиях, включая биосенсор, квантовую информацию и солнечную энергию.

Однако, чтобы поддерживать плазмон-поляритоны, графен должен заряжаться путем подачи напряжения на ближайший металлический затвор, что значительно увеличивает размер и сложность наноразмерных устройств.

Исследователи из Колумбийского университета сообщают, что они получили плазмонно активный графен с рекордно высокой плотностью заряда без внешнего затвора.

Они достигли этого, используя новый межслойный перенос заряда с помощью двумерного акцептора электронов, известного как α-RuCl3. Исследование доступно сейчас в Интернете в виде статьи в открытом доступе и появится в выпуске Nano Letters от 9 декабря.

«Эта работа позволяет нам использовать графен в качестве плазмонного материала без металлических вентилей или источников напряжения, что делает возможным создание автономных графеновых плазмонных структур впервые» сказал соучредитель Джеймс Хоун , Ван Фонг-Джен, профессор машиностроения в Columbia Engineering.

Все материалы обладают свойством, известным как работа выхода, которая количественно определяет, насколько сильно они могут удерживать электроны.

Когда два разных материала вступают в контакт, электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего первый становится положительно заряженным, а второй – отрицательно заряженным.

Это то же явление, которое генерирует статический заряд, когда вы трут воздушный шар о волосы.

α-RuCl3 является уникальным среди наноматериалов, потому что он имеет исключительно высокую работу выхода, даже когда он расслаивается до двухмерных слоев толщиной один или несколько атомов.

Зная это, исследователи из Колумбии создали стопки атомного масштаба, состоящие из графена поверх α-RuCl3. Как и ожидалось, электроны были удалены из графена, что сделало его очень проводящим и способным удерживать плазмон-поляритоны – без использования внешнего затвора.

Использование α-RuCl3 для зарядки графена дает два основных преимущества перед электрическим стробированием. α-RuCl3 индуцирует гораздо больший заряд, чем может быть достигнуто с помощью электрических вентилей, которые ограничиваются разрушением изолирующего барьера с графеном.

Кроме того, расстояние между графеном и нижележащим электродом затвора размывает границу между заряженными и незаряженными областями из-за «окаймления электрического поля».

Это препятствует реализации резких зарядовых характеристик внутри графена и вдоль его края, необходимых для проявления новых плазмонных явлений. Напротив, на краю α-RuCl3 заряд в графене падает до нуля почти в атомном масштабе.

«Одним из наших основных достижений в этой работе является достижение плотности заряда в графене, примерно в 10 раз превышающей пределы, налагаемые пробоем диэлектрика в стандартном закрытом устройстве», сказал ведущий ИП Дмитрий Басов, ведущий исследования. профессор физики. " Более того, поскольку α-RuCl3 – источник электронного заряда – находится в прямом контакте с графеном, границы между заряженными и незаряженными областями в графене остры, как бритва. Это позволяет нам наблюдать зеркальное отражение. подобно отражению плазмонов от этих краев и для создания исторически неуловимых одномерных краевых плазмонов, которые распространяются вдоль края графена ". Команда также наблюдала резкие границы в «нанопузырьках», где загрязнители, захваченные между двумя слоями, нарушают перенос заряда.

«Мы были очень взволнованы, увидев, насколько резко плотность заряда графена может измениться в этих устройствах», – сказал Даниэль Риццо, научный сотрудник с докторской степенью Басова и ведущий автор статьи. «Наша работа является доказательством концепции нанометрового контроля заряда, которая раньше была областью фантастики ».

Работа проводилась в Центре энергетических и пограничных исследований программируемых квантовых материалов, финансируемом Министерством энергетики США и возглавляемом Басовым. В исследовательском проекте использовались общие объекты, принадлежащие Columbia Nano Initiative.

В настоящее время исследователи ищут пути использования протравленного α-RuCl3 в качестве платформы для создания нестандартных наноразмерных схем заряда в графене для точной настройки плазмонного поведения в соответствии с различными практическими применениями.

Они также надеются продемонстрировать, что α-RuCl3 может взаимодействовать с широким спектром 2D-материалов для доступа к новым свойствам материалов, которые требуют исключительно высокой плотности заряда, создаваемой межслойным переносом заряда, продемонстрированной в их рукописи.

Хон отметил, «Когда наша технология межслойного переноса заряда сочетается с существующими процедурами формирования рисунка на 2D-подложках, мы можем легко создавать индивидуальные наноразмерные структуры заряда в графене. Это открывает множество новых возможностей для новых электронных устройств. и оптические приборы »

Источник: https://www.columbia.edu/