Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD

تفاصيل جديدة حول ضرب البنية الإلكترونية من الجرافين

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

العلماء الذين يعملون في مصدر الضوء المتقدم (ALS) في وزارة الطاقة الأمريكية في مختبر لورانس بيركلي الوطني واكتشف تفاصيل جديدة حول ضرب البنية الإلكترونية من الجرافين ، وصحائف من الكربون البلوري مجرد ذرة واحدة سميكة. فريق دولي بقيادة بوستويك هارون وايلي Rotenberg من المرض وجدت أن جزيئات مركب يسمى plasmarons تلعب دورا حيويا في تحديد خصائص الجرافين.

"خصائص مثيرة للاهتمام من الجرافين كلها ظواهر الجماعية" ، ويقول Rotenberg ، وهو عالم ALS كبار الموظفين المسؤولين عن البرنامج العلمي في beamline ALS 7 ، حيث تم تنفيذ العمل. "لا يمكن أن هيكل الجرافين الإلكترونية حقيقية يمكن فهمها دون فهم التفاعلات المعقدة العديد من الإلكترونات مع جزيئات أخرى."

نموذج نظري للتفاعلات plasmaron في الجرافين ، ورقة من الكربون ذرية واحدة سميكة.

حاملة شحنة كهربائية في الجرافين هي الإلكترونات السلبية والإيجابية الثقوب ، والتي بدورها تتأثر البلازمونات الكثافة التذبذبات التي تتحرك مثل الموجات الصوتية عن طريق "السائل" من الإلكترونات في جميع المواد. A plasmaron هي الجسيمات المركبة ، حاملة تهمة مقرونا مأكل.

"على الرغم من واقترحت plasmarons نظريا في أواخر 1960s ، ولقد تم العثور على أدلة غير مباشرة منها ، فإن عملنا هو الملاحظة الأولى من العصابات في مجال الطاقة واضح في الجرافين ، أو في الحقيقة في أي مادة ،" Rotenberg يقول.

قد plasmarons ، فهم العلاقات بين هذه الأنواع الثلاثة من الجسيمات المسؤول عن الناقلين ، البلازمونات ، وتسريع اليوم الذي يمكن فيه استخدام الجرافين ل "plasmonics" لبناء أجهزة الكمبيوتر فائق السرعة ربما حتى درجة حرارة الغرفة الكم أجهزة الكمبيوتر بالإضافة إلى مجموعة واسعة من غيرها الأدوات والتطبيقات.

الجرافين غريب يحصل غريب

"الجرافين ليس لديه فجوة" ، ويقول بوستويك ، عالم أبحاث في beamline 7.0.1 والمؤلف الرئيسي للدراسة. "على الرسم البياني الفرقة الفجوة المعتادة من الجرافين محايدة ، والفرقة والتكافؤ شغل الفرقة التوصيل فارغة تظهر كما اثنين المخاريط ، التي تجتمع في نصائحهم في نقطة تسمى معبر ديراك".

الجرافين هي فريدة من نوعها في أن الإلكترونات تتحرك بالقرب من معبر ديراك كما لو أنها لا تملك الشامل ، والسفر في جزء كبير من سرعة الضوء. البلازمونات الزوجان مباشرة على هذه الاتهامات الابتدائية. قد تصل تردداتها 100000000000000 الدورات في الثانية الواحدة (100 تيراهيرتز ، 100 THz) ، أعلى بكثير من التردد والالكترونيات التقليدية في أجهزة الكمبيوتر اليوم ، والتي تعمل عادة في دورات حول بضعة مليارات في الثانية (أ غيغا قليلة ، غيغاهرتز).

ويمكن أيضا أن ولع البلازمونات الجسيمات ، فوتونات الضوء ، من مصادر خارجية. الضوئيات هو الحقل الذي يشمل مراقبة واستخدام الضوء لمعالجة المعلومات ، ويمكن أن توجه عن طريق القنوات البلازمونات تقاس على مقياس النانو (البليون من المتر) ، أصغر بكثير مما كانت عليه في الأجهزة الضوئية التقليدية.

ومنذ ذلك يمكن بسهولة كثافة ناقلات الشحنة الكهربائية الجرافين يتأثر ، فإنه واضح ومباشر لضبط خصائص الإلكترونية من الجرافين النانو. لهذه الأسباب وغيرها ، ويقول بوستويك "الجرافين هي مرشحة واعدة لأصغر بكثير ، وأجهزة plasmonic أسرع أجهزة النانو ، أن دمج والالكترونيات والضوئيات."

الصورة المعتادة للعصابات الجرافين المخروطية بسيطة ليس وصفا كاملا ، ومع ذلك وبدلا من ذلك انها صورة مثالية من الإلكترونات "العارية". ليس فقط الالكترونات (والثقوب) تتفاعل باستمرار مع كل الكيانات الأخرى وغيرها ، والفرقة الفجوة التقليدية صورة فشل في التنبؤ plasmarons المكتشفة حديثا التي كشفت عنها بوستويك ومعاونيه.

فريق التقارير نتائجها ومناقشة الآثار المترتبة في "ملاحظات plasmarons في شبه قائمة بذاتها الجرافين مخدر" ، التي بوستويك هارون ، شبيك فلوريان Seyller توماس ، كارستن القرن ، Polini ماركو رضا أصغري ، ألان ماكدونالد H. ، وايلي Rotenberg ، في قضية 21 مايو 2010 للعلوم ، وهي متاحة على الانترنت للمشتركين.

الجرافين هو الأكثر دراية والطبقات الفردية التي تشكل الغرافيت ، وشكل قلم الرصاص من الكربون ، ما يجعل من لينة الجرافيت ومواد التشحيم الجيد هو أن ذرة واحدة الشريحة طبقات فوق بعضها البعض بسهولة ، ذراتها المستعبدين بقوة في الطائرة ولكن المستعبدين ضعيفة بين الطائرات. منذ 1980s ، وقد تدحرجت متابعة صحائف الجرافين في أنابيب الكربون النانوية أو البكي بول الأجسام الشبه الكروية مغلقة. يشك في أن المنظرين طويلة صحائف الجرافين واحد يمكن أن توجد إلا في مكدسة أو مغلقة على نفسها.

ثم في عام 2004 واحدة صحائف الجرافين كانت معزولة ، ومنذ ذلك الحين الجرافين المستخدمة في العديد من التجارب. صحائف الجرافين معلقة في فراغ لا تعمل لهذا النوع من الدراسات وبوستويك الإلكترونية التي تؤدي في Rotenberg ALS beamline 7.0.1. أنها تستخدم تقنية تعرف باسم الزاوية حل الطيفي إصدار ضوئي (ARPES) ؛ لARPES ، سطح العينة يجب أن تكون مسطحة. قائمة بذاتها الجرافين مسطح نادرا ، وفي أفضل ما يشبه ملاءات تكوم.

باستخدام الإلكترونات لرسم صور من جزيئات مركب

"واحدة من أفضل السبل لتنمو ورقة مسطحة من الجرافين هو عن طريق تسخين الكريستال من كربيد السيليكون" ، يقول Rotenberg "، ويحدث أن زملائنا الألماني توماس Seyller من جامعة إيرلانغن والقرن كارستن من معهد فريتز هابر في برلين هم خبراء في العمل مع كربيد السيليكون. ومع انحسار السيليكون من على سطح الأرض إلا أنه يترك طبقة الكربون واحدة ".

يأمل الباحثون استخدام الجرافين شقة أدلى بهذه الطريقة ، لدراسة خصائص الجرافين الجوهرية التي ARPES. أول شعاع من الأشعة السينية لينة من المرض يحرر الإلكترونات من الجرافين (إصدار ضوئي). ثم من خلال قياس اتجاه (زاوية) وسرعة الإلكترونات المنبعثة ، والتجربة في مجال الطاقة واسترداد قوة الدفع ؛ تبث الطيف من الإلكترونات المنبعثة التراكمي مباشرة على كاشف ثنائي الأبعاد.

والنتيجة هي صورة من العصابات الإلكترونية التي أنشأتها الإلكترونات نفسها. في حالة من الجرافين ، فإن الصورة على شكل X ، خفض مستعرضة من خلال شريطين المخروطية.

وأضاف "حتى في التجارب الأولية لدينا مع الجرافين ، ونحن يشتبه أن توزيع ARPES لم يكن بهذه البساطة مثل مخروط اثنين ، عارية الإلكترون النموذج المقترح ،" Rotenberg يقول. "في دقة منخفضة هناك على ما يبدو عقدة في نطاقات عند معبر ديراك". لأن هناك حقا أي شيء مثل الإلكترون العارية ، وتساءل الباحثون انه اذا حدث هذا من قبل الناقلين ضبابي تهمة انبعاث البلازمونات.

واضاف "لكن منظري الفكر نحن يجب أن نرى آثار أقوى" ، كما يقول Rotenberg "، وتساءلت عما إذا كان ذلك نحن الركيزة كان التأثير في الفيزياء. طبقة واحدة من ذرات الكربون يستريح على ركيزة كربيد السيليكون ليست هي نفس قائمة بذاتها الجرافين ".

يمكن الركيزة السيليكون كربيد من حيث المبدأ تضعف التفاعلات بين التهم في الجرافين (على معظم ركائز نشعر بالانزعاج خصائص الإلكترونية من الجرافين ، ولا يمكن لاحظ آثار plasmonic يكون). ولذلك قدم الفريق أن ذرات الهيدروجين المستعبدين لكربيد السيليكون الكامنة وعزل طبقة الجرافين من الركيزة والحد من نفوذها. وكان الفيلم الآن الجرافين شقة الكافي لدراسة ولكن مع ARPES معزولة بما فيه الكفاية لتكشف تفاعلاتها الذاتية.

الصور التي حصلت عليها ARPES تعكس في الواقع ديناميكية الثقوب تركت وراءها بعد إصدار ضوئي من الإلكترونات. عمر وكتلة الثقوب تخضع متحمس بشدة لنثر من جثذائةضأترؤ أخرى مثل الفونونات (الاهتزازات من الذرات في بلورة شعرية) ، أو عن طريق خلق جديد الإلكترون حفرة أزواج.

"في حالة من الجرافين ، الإلكترون يمكن أن تترك وراءها ثقب إما عادية أو حفرة منضم إلى plasmaron مأكل A -" ، كما يقول Rotenberg.

أخذت معا ، أثرت بشكل كبير على التفاعلات الطيف ARPES. ظهرت صورة ARPES مفصلة للمنطقة معبر ديراك عندما أودعت الباحثين ذرات البوتاسيوم فوق طبقة من ذرات الكربون لإضافة المزيد من الإلكترونات لالجرافين. وكشف أن عصابات الطاقة عبر الجرافين في ثلاثة أماكن ، وليس واحدة.

ثقوب العاديين شريطين المخروطية التي تلتقي في نقطة واحدة ، تماما كما في الصورة العارية الإلكترون غير متفاعلة. لكن زوج آخر من العصابات المخروطية ، والعصابات plasmaron ويلتقي في الثانية ، معبر ديراك أقل. بين هذه المعابر تقع حلقة فيها العصابات وثقب plasmaron الصليب.

"بحكم طبيعتها ، البلازمونات الزوجين بقوة الفوتونات ، التي تعد وسائل جديدة لمعالجة الضوء في النانو ، مما أدى إلى ميدان plasmonics" Rotenberg يقول. "الآن نحن نعرف أن الزوجين البلازمونات بشدة على حاملات الشحنة في الجرافين ، مما يوحي بأن الجرافين قد يكون لها دور هام في مجالات دمج الالكترونيات والضوئيات ، وplasmonics على النانو."

وأيد هذا البحث من قبل مكتب وزارة الطاقة للعلوم.

Last Update: 6. October 2011 17:27

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit