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Nuovi Dettagli Notevoli Circa la Struttura Elettronica di Graphene

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

Gli Scienziati che lavorano alla Sorgente Luminosa Avanzata (ALS) al Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley Hanno scoperto densamente i nuovi dettagli di direzione circa la struttura elettronica di graphene, lamiere sottili cristalline di carbonio appena un atomo. Un gruppo internazionale piombo da Aaron Bostwick e da Eli Rotenberg del ALS ha trovato che le particelle composite hanno chiamato il gioco dei plasmarons un ruolo vitale nella determinazione dei beni dei graphene.

“I beni interessanti di graphene sono tutti fenomeni collettivi,„ dice Rotenberg, uno scienziato del personale con anzianità di servizio di ALS responsabile del programma scientifico al beamline 7 di ALS, dove il lavoro è stato realizzato. “La vera struttura elettronica di Graphene non può essere capita senza capire le molte interazioni complesse degli elettroni con altre particelle.„

Un modello teorico delle interazioni nel graphene, lamiere sottili del plasmaron dell'atomo del carbonio uno densamente.

I portatori di carica elettrici nel graphene sono elettroni negativi e fori positivi, che a loro volta sono influenzati dalle oscillazioni di plasmon-densità che si muovono come le onde sonore attraverso “il liquido„ di tutti gli elettroni nel materiale. Un plasmaron è una particella composita, un portatore di carica accoppiato con un plasmon.

“Sebbene i plasmarons siano proposti teoricamente verso la fine degli anni 60 e la prova indiretta di loro è stata trovata, il nostro lavoro è la prima osservazione delle loro bande di energia distinte nel graphene, o effettivamente in qualsiasi materiale,„ Rotenberg dice.

Capendo le relazioni fra questi tre generi di portafili della particella-tassa, i plasmon e plasmarons-possono accelerare il giorno in cui il graphene può essere usato per “il plasmonics„ per sviluppare computer-forse anche il quantum ultraveloce di temperatura ambiente computer più una vasta gamma di di altri strumenti ed applicazioni.

Il graphene Sconosciuto ottiene lo sconosciuto

“Graphene non ha intervallo di banda,„ dice Bostwick, un ricercatore sul beamline 7.0.1 e l'autore principale dello studio. “Sul diagramma usuale di intervallo di banda di graphene neutrale, della banda riempita della valenza e della banda di conduzione vuota sono indicati come due coni, che si incontrano ai loro suggerimenti ad un punto chiamato l'incrocio di Dirac.„

Graphene è unico in quanto elettroni vicino al movimento dell'incrocio di Dirac come se non abbiano massa, viaggiante a una frazione significativa di velocità della luce. I Plasmon si accoppiano direttamente a queste cariche elementari. Le Loro frequenze possono raggiungere 100 cicli trilione al secondo (100 terahertz, 100 THz) - molto più superiore alla frequenza di elettronica convenzionale in odierni computer, che funzionano tipicamente a circa alcuni miliardo cicli al secondo (alcun gigahertz, Gigahertz).

I Plasmon possono anche essere eccitati dai fotoni, particelle di indicatore luminoso, dalle sorgenti esterne. La Fotonica è il campo che comprende il controllo e l'uso di indicatore luminoso per elaborazione delle informazioni; i plasmon possono essere diretti attraverso i canali misurati sul nanoscale (billionths di un metro), molto più piccolo di in unità fotoniche convenzionali.

E dalla densità dei graphene i portatori di carica elettrici possono essere influenzati facilmente, è diretti sintonizzare i beni elettronici dei nanostructures del graphene. Per questi ed altre ragioni, dice Bostwick, “il graphene è un candidato di promessa per le unità plasmonic delle unità-nanoscale molto più piccole e molto più veloci che fondono l'elettronica e la fotonica.„

La maschera usuale delle bande coniche semplici dei graphene non è una descrizione completa, tuttavia; invece è una maschera idealizzata di “scopre„ gli elettroni. Non solo fanno gli elettroni (e fori) continuamente interagiscono a vicenda ed altre entità, l'intervallo di banda tradizionale rappresentano non riesce a predire i plasmarons recentemente scoperti rivelatori da Bostwick e dai suoi collaboratori.

Il gruppo riferisce i loro risultati e discute le implicazioni “nelle Osservazioni dei plasmarons nello quasi libero stare il graphene verniciato,„ da Aaron Bostwick, Macchietta di Florian, da Thomas Seyller, Clacson di Karsten, da Marco Polini, da Reza Asgari, da Allan H. MacDonald e da Eli Rotenberg, nell'emissione del 21 maggio 2010 di Scienza, accessibile in linea ai sottoscrittori.

Graphene è più abituato come i diversi livelli che compongono la grafite, il modulo del matita-cavo di carbonio; che cosa rende la grafite molle e un buon lubrificante è che i livelli dell'unico atomo fanno scorrere prontamente sopra uno un altro, i loro atomi tenuti da adesivo forte nell'aereo ma tenuti da adesivo debolmente fra gli aerei. Dagli anni 80, le lamiere sottili del graphene sono state acciambellate nei nanotubes del carbonio o nelle sferoidi chiuse del buckyball. I Teorici lungamente hanno dubitato che le singole lamiere sottili del graphene potrebbero esistere a meno che impilato o chiuso dentro su se stessi.

Poi nel 2004 le singole lamiere sottili del graphene sono state isolate e il graphene da allora è stato utilizzato in molti esperimenti. Le lamiere sottili di Graphene sospese nel vuoto non funzionano per il genere di studi elettronici che Bostwick e Rotenberg svolgono al beamline 7.0.1 di ALS. Usano una tecnica conosciuta come la spettroscopia angolo-risolta di emissione fotoelettrica (ARPES); per ARPES, la superficie del campione deve essere piana. Il graphene Indipendente è raramente piano; nel migliore dei casi somiglia ad un lenzuolo sgualcito.

Facendo Uso degli elettroni per dissipare le immagini delle particelle composite

“Uno di migliori modi coltivare una lamiera piana di graphene è riscaldando un cristallo del carburo di silicio,„ Rotenberg dice, “ed accade che i nostri colleghi Tedeschi Thomas Seyller dall'Università di Erlangen e dal Clacson di Karsten dall'Istituto di Fritz Haber a Berlino siano esperti al lavoro con il carburo di silicio. Mentre il silicio retrocede dalla superficie lascia un singolo strato di carbonio.„

Facendo Uso di graphene piano reso a questo modo, i ricercatori hanno sperato di studiare i beni intrinsechi dei graphene da ARPES. In Primo Luogo un raggio dei raggi X molli dal ALS libera gli elettroni dal graphene (emissione fotoelettrica). Poi misurando la direzione (angolo) e la velocità degli elettroni emessi, l'esperimento recupera la loro energia e slancio; la gamma di elettroni emessi cumulativi è trasmessa direttamente su un rivelatore bidimensionale.

Il risultato è un'immagine delle bande elettroniche create dagli elettroni stessi. Nel caso di graphene, la maschera è x a forma di, un taglio a sezione trasversale da parte a parte le due bande coniche.

“Anche nei nostri esperimenti iniziali con graphene, abbiamo sospettato che la distribuzione di ARPES non era abbastanza semplice come il due-cono, modello dell'nudo-elettrone suggerito,„ Rotenberg dice. “A risoluzione bassa è sembrato essere un nodo nelle bande all'incrocio di Dirac.„ Poiché realmente c'è nessun qualcosa come un elettrone nudo, i ricercatori si sono domandati se questa confusione fosse causata in portatori di carica che emettono i plasmon.

“Ma i teorici hanno pensato che dovremmo vedere ancora i più forti effetti,„ dice Rotenberg, “ed in modo da ci siamo domandati se il substrato stesse influenzando la fisica. Un a un solo strato degli atomi di carbonio che riposano su un substrato del carburo di silicio non è lo stesso del graphene indipendente.„

Il substrato del silicio-carburo potrebbe in linea di principio indebolire le interazioni fra le spese nel graphene (sulla maggior parte dei substrati i beni elettronici di graphene sono disturbati e gli effetti plasmonic non possono essere osservati). Di Conseguenza il gruppo ha presentato gli atomi di idrogeno che hanno saldato al carburo di silicio di fondo, isolante il livello del graphene dal substrato e diminuente la sua influenza. Ora la pellicola del graphene era abbastanza pianamente di studiare con ARPES ma sufficientemente isolata per rivelare le sue interazioni intrinseche.

Le immagini ottenute da ARPES realmente riflettono la dinamica dei fori lasciati dopo emissione fotoelettrica degli elettroni. La vita e la massa dei fori emozionanti sono forte conforme allo scattering da altre eccitazioni quali i fononi (vibrazioni degli atomi nel reticolo cristallino), o creando il nuovo elettrone-foro accoppia.

“Nel caso di graphene, l'elettrone può lasciare o un foro ordinario o un foro limitato ad un plasmaron del plasmon-un,„ dice Rotenberg.

Catturate insieme, le interazioni hanno influenzato drammaticamente lo spettro di ARPES. Quando i ricercatori hanno depositato gli atomi del potassio in cima al livello di atomi di carbonio per aggiungere gli elettroni extra al graphene, una maschera dettagliata di ARPES della regione dell'incrocio di Dirac è emerso. Ha rivelato che le bande di energia di graphene attraversano a tre posti, non uno.

I fori Ordinari hanno due bande coniche che si incontrano ad un unico, appena come nell'nudo-elettrone, maschera d'interazione. Ma un altro paio delle bande coniche, le bande del plasmaron, si incontra ad un seconde, incrocio più basso di Dirac. Fra questi incroci si trova un anello dove il foro e le bande del plasmaron attraversano.

“Per la loro natura, i plasmon si accoppiano forte ai fotoni, che promette i nuovi modi per la manipolazione dell'indicatore luminoso in nanostructures, provocante il campo del plasmonics,„ Rotenberg dice. “Ora sappiamo che i plasmon si accoppiano forte ai portatori di carica nel graphene, che suggerisce che il graphene possa avere un ruolo importante da giocare nei campi di fusione di elettronica, fotonica e plasmonics sul nanoscale.„

Questa ricerca è stata supportata dall'Ufficio della DAINA di Scienza.

Last Update: 12. January 2012 08:45

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