Auffallende Neue Sonderkommandos Über die Elektronische Zelle von Graphene

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

Die Wissenschaftler, die an der Hoch entwickelten Lichtquelle (ALS) an der US-Abteilung von Nationalem Laboratorium des Lawrence Berkeley der Energie arbeiten, haben auffallende neue Sonderkommandos über die elektronische Zelle von graphene, kristallene Blätter des Kohlenstoffes gerade ein Atom dick entdeckt. Ein internationales Team, das von Aaron Bostwick und von Eli Rotenberg des ALS geführt wurde, fand, dass zusammengesetzte Partikel plasmarons Spiel eine wesentliche Rolle nannten, wenn sie die Eigenschaften der graphenes bestimmten.

„Die interessanten Eigenschaften von graphene sind alle Kollektivphänomene,“ sagt Rotenberg, einen Wissenschaftler leitender Mitarbeiter ALS, der für das wissenschaftliche Programm an ALS-beamline 7 verantwortlich ist, wo die Arbeit durchgeführt wurde. „Graphenes wahre elektronische Zelle kann nicht verstanden werden, ohne die vielen komplexen Interaktionen von Elektronen mit anderen Partikeln zu verstehen.“

Ein theoretisches Baumuster von plasmaron Interaktionen im graphene, Blätter des Atoms des Kohlenstoffes einer dick.

Die Transportunternehmer der elektrischen Ladung im graphene sind negative Elektronen und positive Löcher, die der Reihe nach durch Plasmonsdichte Oszillationen beeinflußt werden, die wie Schallwellen durch die „Flüssigkeit“ aller Elektronen im Material sich bewegen. Ein plasmaron ist ein zusammengesetzter Partikel, ein Ladungsträger, der mit einem Plasmon verbunden wird.

„Obgleich plasmarons theoretisch Ende der sechziger Jahre vorgeschlagen wurden und indirekter Beweis von ihnen gefunden worden ist, ist unsere Arbeit die erste Beobachtung ihrer eindeutigen Energiebänder im graphene, oder tatsächlich in irgendeinem Material,“ sagt Rotenberg.

Die Verhältnisse unter diesen drei Arten von Partikelladung Transportunternehmern Verstehend, plasmarons-können Plasmons und den Tag beschleunigen, als graphene für „plasmonics“ verwendet werden kann, um das ultraschnelle Computer-möglicherweise sogar Raumtemperaturquantum Computer Computer aufzubauen eine große Auswahl anderer Hilfsmittel und Anwendungen.

Merkwürdiges graphene erhält Fremden

„Graphene hat keinen Bandabstand,“ sagt Bostwick, einen Forschungswissenschaftler auf beamline 7.0.1 und führenden Autor der Studie. „Auf dem üblichen BandGap-Diagramm des neutralen graphene, des gefüllten Valenzbands und des leeren Leitungsbandes werden als zwei Kegel gezeigt, die an ihren Spitzen an einem Punkt sich treffen, der genannt wird die Dirac-Überfahrt.“

Graphene ist dadurch dass Elektronen nahe der Dirac-Überfahrtbewegung eindeutig, als ob sie keine Masse haben und bewegt sich an einem beträchtlichen Bruch der Lichtgeschwindigkeit. Plasmons verbinden direkt zu diesen Elementarladungen. Ihre Frequenzen erreichen möglicherweise 100 Schleifen Trillion pro Sekunde (100 terahertz, 100 THz) - viel höher als die Frequenz der herkömmlichen Elektronik in den heutigen Computern, die gewöhnlich an ungefähr einigen Milliarde Schleifen pro Sekunde funktionieren (einig Gigahertz, Gigahertz).

Plasmons können durch Photonen, Partikel auch erregt werden der Leuchte, von den externen Quellen. Photonics ist der Bereich, der die Regelung und den Gebrauch von Leuchte für informationsverarbeitendes umfaßt; Plasmons können durch die Kanäle verwiesen werden, die auf dem nanoscale gemessen werden (Billionste eines Meters), viel kleiner als in den herkömmlichen photonischen Einheiten.

Und da die Dichte von Transportunternehmern der elektrischen Ladung der graphenes leicht beeinflußt werden kann, ist es Geradeaus, die elektronischen Eigenschaften von graphene nanostructures zu justieren. Für diese und andere Gründe sagt Bostwick, „graphene ist ein viel versprechender Kandidat für viel kleinere, viel schnellere Einheiten-nanoscale plasmonic Einheiten, die mergen Elektronik und photonics.“

Die übliche Abbildung der einfachen konischen Bänder der graphenes ist keine komplette Beschreibung, jedoch; stattdessen ist es eine idealisierte Abbildung von „entblößt“ Elektronen. Tun Nicht nur Elektronen (und Löcher) einwirken fortwährend auf einander und andere Instanzen, traditionelle BandGap stellen nicht kann die eben entdeckten plasmarons voraussagen dar, die von Bostwick und von seinen Mitarbeitern aufgedeckt werden.

Das Team berichtet über ihre Ergebnisse und behandelt die Auswirkungen „in den Beobachtungen von plasmarons, wenn es online lackiertes graphene,“ durch Aaron Bostwick, Florian-Fleck, Thomas Seyller, Karsten-Hupe, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald und Eli Rotenberg, im Punkt am 21. Mai 2010 der Wissenschaft quasi-frei-steht, erhältlich für Abonnenten.

Graphene ist als die einzelnen Schichten, die Graphit bilden, das Bleistiftleitungskabel Formular des Kohlenstoffes am vertrautesten; was Graphit weich macht und ein gutes Schmiermittel ist, dass die Einzelatom Schichten betriebsbereit über gegenseitig schieben, ihre Atome stark geklebt im Flugzeug aber zwischen Flugzeugen schwach geklebt. Seit den achtziger Jahren sind graphene Blätter in Kohlenstoff nanotubes oder in geschlossene buckyball Sphäroide gerollt worden-oben. Theoretiker bezweifelten lang, dass einzelne graphene Blätter existieren konnten, es sei denn, dass gestapelt oder herein auf selbst geschlossen.

Dann im Jahre 2004 wurden einzelne graphene Blätter getrennt, und graphene ist seit dem in vielen Experimenten verwendet worden. Graphene-Blätter, die im Vakuum verschoben werden, arbeiten nicht für die Art von elektronischen Studien, die Bostwick und Rotenberg an ALS-beamline 7.0.1 durchführen. Sie verwenden eine Technik, die als Winkel-entschlossene Fotoemissionsspektroskopie (ARPES) bekannt ist; für ARPES muss die Oberfläche der Probe flach sein. Freistehendes graphene ist selten flach; bestenfalls ähnelt es einem zerknitterten Bedsheet.

Unter Verwendung der Elektronen, zum von Bildern von zusammengesetzten Partikeln zu zeichnen

„Eine der besten Methoden, ein flaches Blatt von graphene zu wachsen ist, indem es einen Kristall des Silikonkarbids heizt,“ sagt Rotenberg, „und er geschieht, dass unsere Deutschen Kollegen Thomas Seyller von der Universität von Erlangen und von Karsten-Hupe vom Fritz Haber-Institut in Berlin Experten am Arbeiten mit Silikonkarbid sind. Während das Silikon von der Oberfläche zurücktritt, verlässt es eine einzelne Kohlenstoffschicht.“

Unter Verwendung des flachen graphene, das auf diese Weise gemacht wurde, hofften die Forscher, die tatsächlichen Eigenschaften der graphenes durch ARPES zu studieren. Zuerst gibt ein Träger von weichen Röntgenstrahlen vom ALS Elektronen vom graphene frei (Fotoemission). Dann indem es die Richtung (Winkel) und Drehzahl der ausgestrahlten Elektronen misst, stellt das Experiment ihre Energie und Impuls wieder her; das Spektrum der kumulativen ausgestrahlten Elektronen wird direkt auf einen zweidimensionalen Detektor übertragen.

Das Ergebnis ist ein Bild der elektronischen Bänder, die durch die Elektronen selbst hergestellt werden. Im Falle des graphene ist die Abbildung durch geformtes x, ein Querschnittsschnitt die zwei konischen Bänder.

„Sogar in unseren Anfangsexperimenten mit graphene, vermuteten wir, dass die ARPES-Verteilung nicht ziemlich so einfach war, wie der Zweikegel, Blankelektron Baumuster vorgeschlagen,“ sagt Rotenberg. „An der niedrigen Auflösung schien es, eine Schleife in den Bändern an der Dirac-Überfahrt zu geben.“ Weil es wirklich keine solche Sache wie ein blank Elektron gibt, wunderten sich die Forscher, wenn diese Flockigkeit durch die Ladungsträger verursacht wurde, die Plasmons ausstrahlen.

„Aber Theoretiker dachten, dass wir sogar stärkere Effekte sehen sollten,“ sagt Rotenberg, „und also wunderten uns wir, wenn die Substratfläche die Physik beeinflußte. Ein einlagiges von den Kohlenstoffatomen, die auf einer Silikonkarbidsubstratfläche stillstehen, ist nicht das selbe wie freistehendes graphene.“

Die Silikonkarbid Substratfläche könnte die Interaktionen zwischen Ladungen im graphene prinzipiell schwächen (auf den meisten Substratflächen werden die elektronischen Eigenschaften von graphene gestört, und die plasmonic Effekte können nicht beobachtet werden). Deshalb führte das Team Wasserstoffatome ein, die zum zugrunde liegenden Silikonkarbid klebten, die graphene Schicht von der Substratfläche trennten und seinen Einfluss verringern. Jetzt war der graphene Film flach genug, mit ARPES aber genug getrennt zu studieren, um seine tatsächlichen Interaktionen aufzudecken.

Die Bilder, die durch ARPES reflektieren erhalten werden wirklich, die Dynamik der Löcher, die hinten nach Fotoemission der Elektronen gelassen werden. Die Lebenszeit und die Masse von aufgeregten Löchern sind stark ausgesetzt das Zerstreuen von anderen Erregung wie Phononen (Schwingungen der Atome im Kristallgitter) oder indem sie neue Elektron-Loch-Paare erstellen.

„Im Falle des graphene, kann das Elektron hinter entweder ein gewöhnliches Loch gehen, oder ein Loch gesprungen zu einem Plasmon-ein plasmaron,“ sagt Rotenberg.

Zusammen Genommen, beeinflußten die Interaktionen drastisch das ARPES-Spektrum. Als die Forscher Kaliumatome auf der Schicht von Kohlenstoffatomen abgaben, um Extraelektronen dem graphene hinzuzufügen, tauchte eine ausführliche ARPES-Abbildung der Dirac-Überfahrtregion auf. Sie deckte, dass die Energiebänder von graphene bei drei Plätzen kreuzen, kein auf.

Gewöhnliche Löcher haben zwei konische Bänder, die an einem Einpunkt sich treffen, gerade wie im Blankelektron, nicht-zusammenwirkende Abbildung. Aber ein anderes Paar konische Bänder, die plasmaron Bänder, trifft sich an einem zweiten, untere Dirac-Überfahrt. Zwischen diesen Überfahrten liegt ein Ring, wo das Loch und die plasmaron Bänder kreuzen.

„Durch ihre Natur, verbinden Plasmons stark zu den Photonen, das neue Methoden für die Manipulierung der Leuchte in den nanostructures verspricht, den Bereich von plasmonics verursachend,“ sagt Rotenberg. „Jetzt wir wissen, dass Plasmons stark zu den Ladungsträgern im graphene verbinden, das vorschlägt, dass graphene möglicherweise eine wichtige Rolle hat, zum in den mergenden Elektronikbereichen zu spielen, photonics, und plasmonics auf dem nanoscale.“

Diese Forschung wurde durch das DAMHIRSCHKUH Büro der Wissenschaft unterstützt.

Last Update: 12. January 2012 08:43

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