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Nuevos Detalles Llamativos Sobre la Estructura Electrónica de Graphene

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

Los Científicos que trabajaban en la Fuente De Luz Avanzada (ALS) en el Ministerio de los E.E.U.U. de Laboratorio Nacional de Lorenzo Berkeley de la Energía han descubierto a los nuevos detalles de pulso sobre la estructura electrónica del graphene, hojas cristalinas del carbón apenas un átomo densamente. Las personas internacionales llevadas por Aaron Bostwick y Eli Rotenberg del ALS encontraron que las partículas compuestas llamaron el juego de los plasmarons un papel vital en la determinación de las propiedades de los graphene.

“Las propiedades interesantes del graphene son todas fenómenos colectivos,” dice a Rotenberg, científico del titulado del ALS responsable del programa científico en el beamline 7 del ALS, donde el trabajo fue realizado. La “estructura electrónica verdadera de Graphene no puede ser entendida sin la comprensión de las muchas acciones recíprocas complejas de electrones con otras partículas.”

Un modelo teórico de las acciones recíprocas en graphene, hojas del plasmaron del átomo del carbón uno densamente.

Las ondas portadoras eléctricas en graphene son los electrones negativos y los agujeros positivos, que a su vez son afectados por las oscilaciones de la plasmón-densidad que se mueven como ondas acústicas a través del “líquido” de todos los electrones en el material. Un plasmaron es una partícula compuesta, un portador de carga acoplado con un plasmón.

“Aunque los plasmarons fueron propuestos teóricamente a finales de los años 60, y las pruebas indirectas de ellos se han encontrado, nuestro trabajo es la primera observación de sus bandas de energía distintas en graphene, o de hecho en cualquier material,” Rotenberg dice.

Entendiendo los lazos entre estas tres clases de portadores de la partícula-carga, los plasmones, y plasmarons-pueden acelerar el día en que el graphene se puede utilizar para el “plasmonics” para construir ordenador-quizás incluso quantum ultrarrápido de la temperatura ambiente ordenador-más una amplia gama de otras herramientas y aplicaciones.

El graphene Extraño consigue al extranjero

“Graphene no tiene ninguna separación de banda,” dice Bostwick, un científico de la investigación en el beamline 7.0.1 y al autor importante del estudio. “En el diagrama usual de la banda-separación del graphene neutral, de la banda llenada de la valencia y de la banda de conducción vacía se muestran como dos conos, que se encuentran en sus puntas en una punta llamada el cruce de Dirac.”

Graphene es único en que los electrones cerca del movimiento del cruce de Dirac como si no tengan ninguna masa, viajando a una parte significativa de la velocidad de la luz. Los Plasmones acoplan directamente a estas cargas elementales. Sus frecuencias pueden alcanzar 100 ciclos trillón por el segundo (100 terahertz, 100 THz) - mucho más arriba que la frecuencia de la electrónica convencional en los ordenadores de hoy, que operatorio típicamente aproximadamente algunos mil millones ciclos por el segundo (algún gigahertz, Gigahertz).

Los Plasmones se pueden también excitar por los fotones, partículas de la luz, de fuentes externas. Photonics es el campo que incluye el mando y el uso de la luz para la tratamiento de la información; los plasmones se pueden dirigir a través de los canales medidos en el nanoscale (billionths de un contador), mucho más pequeño que en dispositivos fotónicos convencionales.

Y desde la densidad de los graphene las ondas portadoras eléctricas se pueden influenciar fácilmente, él son directas sintonizar las propiedades electrónicas de los nanostructures del graphene. Por éstos y otras razones, dice Bostwick, “graphene es un candidato prometedor a los dispositivos plasmonic de dispositivos-nanoscale mucho más pequeños, mucho más rápidos que combinan electrónica y photonics.”

El retrato usual de las bandas cónicas simples de los graphene no es una descripción completa, sin embargo; en lugar es un retrato idealizado de “descubre” electrones. No sólo hacen los electrones (y los agujeros) obran recíprocamente continuamente con uno a y otras entidades, la banda-separación tradicional representaron no pueden predecir los plasmarons nuevamente descubiertos reveladores por Bostwick y sus colaboradores.

Las personas señalan sus conclusión y discuten las implicaciones en “Observaciones de plasmarons en el cuasi-libre-vigente del graphene dopado,” por Aaron Bostwick, Mota de Florian, Thomas Seyller, Claxon de Karsten, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, y Eli Rotenberg, en la aplicación del 21 de mayo de 2010 la Ciencia, accesible en línea a los suscriptores.

Graphene es el más familiar como las capas individuales que componen el grafito, el formulario del lápiz-terminal de componente del carbón; qué hace el grafito suave y un buen lubricante es que las capas del único-átomo deslizan fácilmente sobre otra, sus átomos pegados fuertemente en el avión pero pegados débil entre los aviones. Desde los años 80, las hojas del graphene han sido enrolladas en nanotubes del carbón o esferoides cerrados del buckyball. Los Teóricos dudaron de largo que las únicas hojas del graphene podrían existir a menos que estuvieron empiladas o cerradas hacia adentro en ellos mismos.

Entonces en 2004 las únicas hojas del graphene fueron aisladas, y el graphene se ha utilizado desde entonces en muchos experimentos. Las hojas de Graphene suspendidas en vacío no trabajan para la clase de estudios electrónicos que Bostwick y Rotenberg realicen en el beamline 7.0.1 del ALS. Utilizan una técnica conocida como espectroscopia ángulo-resuelta de la fotoemisión (ARPES); para ARPES, la superficie de la muestra debe ser plana. El graphene Libre es raramente plano; en el mejor de los casos se asemeja a un bedsheet arrugado.

Usando los electrones para drenar imágenes de partículas compuestas

“Una de las mejores maneras de crecer una hoja plana del graphene está calentando un cristal del carburo de silicio,” Rotenberg dice, “y suceso que nuestros colegas Alemanes Thomas Seyller de la Universidad de Erlangen y del Claxon de Karsten del Instituto de Fritz Haber en Berlín son expertos en el trabajo con el carburo de silicio. Mientras Que el silicio retrocede de la superficie sale de una única capa del carbón.”

Usando el graphene plano hecho esta manera, los investigadores esperaban estudiar las propiedades intrínsecas de los graphene por ARPES. Primero un haz de radiografías suaves del ALS libera electrones del graphene (fotoemisión). Entonces midiendo la dirección (ángulo) y la velocidad de los electrones emitidos, el experimento recupera su energía e impulso; el espectro de los electrones emitidos acumulativos se transmite directamente sobre un detector bidimensional.

El resultado es una imagen de las bandas electrónicas creadas por los electrones ellos mismos. En el caso de graphene, el retrato es x dado forma, un corte seccionado transversalmente a través las dos bandas cónicas.

“Incluso en nuestros experimentos iniciales con el graphene, sospechamos que la distribución de ARPES no era muy tan simple como el dos-cono, modelo del descubierto-electrón sugerido,” Rotenberg dice. “En la resolución inferior aparecía ser un rizo en las bandas en el cruce de Dirac.” Porque no hay realmente cosa tal como un electrón descubierto, los investigadores se preguntaban si esta borrosidad fue causada por las ondas portadoras que emitían plasmones.

“Solamente los teóricos pensaron que debemos ver incluso efectos más fuertes,” dice a Rotenberg, “y así que nos preguntábamos si el substrato influenciaba la física. Un de una sola capa de los átomos de carbón que descansan sobre un substrato del carburo de silicio no es lo mismo que graphene libre.”

El substrato del silicio-carburo podría en principio debilitar las acciones recíprocas entre las cargas en el graphene (en la mayoría de los substratos las propiedades electrónicas del graphene se perturban, y los efectos plasmonic no se pueden observar). Por Lo Tanto las personas introdujeron los átomos de hidrógeno que pegaron al carburo de silicio subyacente, aislando la capa del graphene del substrato y reduciendo su influencia. Ahora la película del graphene era completamente bastante estudiar con ARPES pero aislado suficientemente para revelar sus acciones recíprocas intrínsecas.

Las imágenes obtenidas por ARPES reflejan real la dinámica de los agujeros dejados detrás después de la fotoemisión de los electrones. El curso de la vida y la masa de agujeros emocionados están fuertemente conforme a dispersar de otras excitaciones tales como fonones (vibraciones de los átomos en el cedazo cristalino), o creando el nuevo electrón-agujero empareja.

“En el caso de graphene, el electrón puede irse detrás o de un agujero ordinario o un agujero limitado a un plasmaron del plasmón-uno,” dice a Rotenberg.

Tomadas juntas, las acciones recíprocas influenciaron dramáticamente el espectro de ARPES. Cuando los investigadores depositaron los átomos del potasio encima de la capa de átomos de carbón para agregar electrones extras al graphene, un retrato detallado de ARPES de la región del cruce de Dirac emergió. Reveló que las bandas de energía del graphene cruzan en tres lugares, no uno.

Los agujeros Ordinarios tienen dos bandas cónicas que se encuentren en un monopunto, apenas como en el descubierto-electrón, retrato no-que obra recíprocamente. Pero otro par de bandas cónicas, las bandas del plasmaron, se encuentra en segundas, un cruce más inferior de Dirac. Entre estos cruces miente un anillo donde el agujero y las bandas del plasmaron cruzan.

“Por su naturaleza, los plasmones acoplan fuertemente a los fotones, que promete las nuevas maneras para manipular la luz en nanostructures, dando lugar al campo del plasmonics,” Rotenberg dice. “Ahora sabemos que los plasmones acoplan fuertemente a las ondas portadoras en el graphene, que sugiere que el graphene pueda tener un papel importante a jugar en los campos de combinación de la electrónica, photonics, y el plasmonics en el nanoscale.”

Esta investigación fue utilizada por la Oficina de la GAMA de la Ciencia.

Last Update: 12. January 2012 08:20

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