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Graphene の電子構造についての顕著で新しい細部

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

ローレンスバークレーの国立研究所 (ALS)米国エネルギー省で高度の光源で働いている科学者は graphene の電子構造についての殴打の新しい細部、カーボンの結晶シートをちょうど 1 個の原子厚く検出しました。 アーロン Bostwick および ALS の Eli Rotenberg によって導かれた国際的なチームは合成の粒子が plasmarons の演劇を graphene の特性のことを決定に於いての重要な役割と呼出したことが分りました。

「作業が行われたところで graphene の興味深い特性すべて集合的な現象です」、は Rotenberg、 ALS の beamline 7 で科学的なプログラムに責任がある ALS の係長の科学者を言います。 「Graphene 本当の電子構造他の粒子が付いている電子の多くの複雑な相互作用を理解しなければ理解することができません」。は

graphene の plasmaron の相互作用、厚のカーボン 1 原子のシートの理論モデル。

graphene の電気電荷キャリアは材料のすべての電子の 「液体」を通って音波のように移動するプラズモン密度の振動によってそれから影響される肯定的な穴です、および陰電子。 plasmaron は合成の粒子、プラズモンとつながれる荷電粒子です。

「plasmarons が論理上 1960年代末提案され、それらの間接が証拠あったが、私達の作業は graphene の個別のエネルギー帯の最初の観察です、または全く材料で」と Rotenberg は言います。

この 3 種類の粒子料金のキャリア間の関係を、プラズモンは理解して、超高速の他のツールおよびアプリケーションの広い範囲コンピュータとコンピュータ多分室温の量を構築するのに graphene が 「plasmonics」に使用するできる日を急がせ plasmarons。

奇妙な graphene は他人を得ます

「Graphene バンドギャップがありません」、に beamline 7.0.1 の Bostwick、研究の科学者および調査の主執筆者を言います。 「中立 graphene、満たされた原子価バンドおよび空の伝導帯の通常のバンドギャップの図表で Dirac の交差と呼出されるポイントで先端で」。会う 2 つの円錐形として示されています、

Graphene はそれらに大容量がないようにごくわずか光速で移動する Dirac の交差移動の近くで一義的こと電子です。 プラズモンはこれらの素電荷に直接つなぎます。 頻度は (100 terahertz、 100 THz) 100 つの兆サイクル/秒に - (少数のギガヘルツ、 GHz) 約少数の十億サイクル/秒で普通動作する今日のコンピュータの慣習的な電子工学の頻度より大いに高く達するかもしれません。

プラズモンはまた光子、外部ソースからのライトの粒子によって、刺激することができます。 Photonics は情報処理のためのライトの制御そして使用を含んでいるフィールドです; プラズモンは慣習的な光通信装置でより小さい nanoscale (メートルの billionths) で、大いに測定されるチャネルを通して指示することができます。

そして graphene の nanostructures の電子特性を調整するために graphene の密度以来電気電荷キャリアはそれです簡単容易に影響を及ぼすことができます。 これらおよび他の理由のために、 Bostwick を、 「graphene です電子工学および photonics を」。マージする大いにより小さく、大いにより速い装置nanoscale plasmonic 装置のための有望な候補者言います

しかし graphene の簡単な円錐バンドの通常映像は完全な記述、ではないです; その代りそれは理想的にされた映像の 「暴露します」電子をです。 電子 (および穴) 絶えず互いに相互に作用しています、ただ他のエンティティは、従来のバンドギャップ描くために Bostwick および彼の共作者が明らかにする最近検出された plasmarons を予測しません。

チームは調査結果を報告し、 「の plasmarons の観察でアーロン Bostwick 疑似自由立てることの Florian の斑点、トマス Seyller の Karsten の角、 Marco Polini、レーザ Asgari、アラン H. MacDonald、および契約者にオンラインで手続きできる科学の 5 月 21 日 2010 日問題の Eli Rotenberg によって含意を添加された graphene を」、論議します。

Graphene はグラファイトを構成する個々の層、カーボンの鉛筆鉛形式として最もよく知られています; 単一原子の層は互いに容易に滑ることグラファイトを柔らかくさせるおよびよい潤滑油がである何が、強く平面で結ばれる弱く平面の間で結ばれる原子。 80 年代以来、 graphene シートはカーボン nanotubes かずっと閉じられた buckyball の回転楕円体に巻き上げられています。 理論家は長く単一の graphene シートが彼ら自身でスタックされるか、または閉じられてあることができないことを疑いました。

それから 2004 枚の単一の graphene シートで隔離され、 graphene は多くの実験でその後使用されていました。 真空で中断される Graphene シートは Bostwick および Rotenberg が ALS の beamline 7.0.1 で行う電子調査の種類のために働きません。 それらは角度解決する光電子放出分光学 (ARPES) として知られている技術を使用します; ARPES のために、サンプルの表面は平らでなければなりません。 支えがない graphene はまれに平らではないです; 精々それはしわにされた敷布に類似しています。

合成の粒子の画像を引出す電子を使用して

「graphene の平らなシートを育てる最もよい方法の 1 つ炭化ケイ素の水晶を熱することによって行います」、は Rotenberg は言います、 Erlangen の大学およびベルリンのフリッツ・ハーバーの協会からの Karsten の角からの私達のドイツの同僚トマス Seyller が炭化ケイ素を使用に専門家であること 「起こり。 ケイ素は表面から退くと同時に去ります単一カーボン層を」。

こうすればに作られた平らな graphene を使用して研究者は ARPES によって graphene の本質的な特性を調査することを望みました。 最初に ALS からの柔らかい X 線のビームは graphene (光電子放出) から電子を放します。 それから方向 (角度) および出された電子の速度の測定によって、実験はエネルギーおよび運動量を回復; 累積出された電子のスペクトルは二次元探知器に直接送信されます。

結果は電子自身によって作成される電子バンドの画像です。 graphene の場合には、映像は、横断面の切口形づく x 2 つの円錐バンドです。

「Graphene との私達の最初の実験で、私達は 2 円錐形、提案される裸電子モデル」と程にかなり簡単 ARPES の分布がではなかったことを疑いました Rotenberg は言います。 「Dirac の交差にバンドのよじれそこにようであった低分解能で」。 事が裸の電子のような実際にないので、研究者はこの曖昧性がプラズモンを出す電荷キャリアによって引き起こされたかどうか疑問に思いました。

「しかし理論家は私達が」より強い効果を見るべきであることを考えました Rotenberg を言います、基板が物理学に影響を及ぼしていたかどうか 「従って私達は疑問に思い。 炭化ケイ素の基板で休む支えがない graphene と炭素原子の単層はではないです同じ」。

ケイ素炭化物の基板は原則的には graphene の料金間の相互作用を弱めることができます (ほとんどの基板で graphene の電子特性は妨げられ、 plasmonic 効果は観察することができません)。 従ってチームは基板からの graphene の層を隔離し、影響を減らす根本的な炭化ケイ素と結んだ水素原子を導入しました。 ここで graphene のフィルムは十分にきっかり ARPES としかし本質的な相互作用を明らかにするには十分に隔離された調査することでした。

ARPES によって得られる画像は実際に電子の光電子放出の後で置き去りになる穴の原動力を反映します。 興奮する穴の寿命そして大容量は音量子 (結晶格子の原子の振動) のような他の刺激からの分散に応じて強くあります、または作成によって新しい電子穴は組み合わせます。

「graphene の場合には、電子は通常の穴を置き去りにすることができますまたはプラズモンの plasmaron に区切られる穴」 Rotenberg を言います。

一緒に取られて、相互作用は劇的に ARPES スペクトルに影響を及ぼしました。 graphene に余分電子を追加するために研究者が炭素原子の層頂上カリウム原子を沈殿させたときに Dirac の交差領域の詳しい ARPES 映像は現れました。 それは graphene のエネルギー帯が 3 つの場所で交差すること、 1 つを明らかにしませんでした。

通常の穴に裸電子、非相互作用の映像でように一点で会う 2 つの円錐バンドが、ちょうどあります。 しかし円錐バンドの別のペア、 plasmaron バンドは第 2 の Dirac のより低い交差で、会います。 これらの交差リングは間で穴および plasmaron バンドが交差するところにあります。

「性質によって、プラズモンは光子に強くつなぎます、 nanostructures のライトを処理するための新しい方法をもたらす約束する、 plasmonics のフィールドを」と Rotenberg は言います。 「今私達はプラズモンが graphene は電子工学のマージフィールドで、 photonics 遊ぶべきある確認しかもしれない、重要な役割が nanoscale の plasmonics」。ことを提案する graphene の電荷キャリアに強くつなぐことを、

この研究は科学の雌ジカのオフィスによってサポートされました。

Last Update: 12. January 2012 08:07

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