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Graphene의 전자 구조에 관하여 현저한 새로운 세부사항

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

로오렌스 버클리 국립 연구소 (ALS) 미국 에너지성에 향상된 광원에 일 과학자는 graphene의 전자 구조에 관하여 치기 새로운 세부사항, 탄소의 크리스탈 장을 다만 1개의 원자 두껍게 발견했습니다. Aaron Bostwick와 ALS의 Eli Rotenberg에 의해 지도된 국제적인 팀은 합성 입자가 plasmarons 실행을 graphene의 속성 결정에 있는 생명 역할이라고 칭했다는 것을 것을을 발견했습니다.

"일이 실행된 곳에, graphene의 흥미로운 속성 전부 공동 현상입니다,"는 Rotenberg, ALS beamline 7에 과학적인 프로그램에 책임있는 ALS 간부 과학자를 말합니다. "Graphene 확실한 전자 구조 그밖 입자를 가진 전자의 많은 복잡한 상호 작용 이해 없이 이해될 수 없습니다."는

graphene에 있는 plasmaron 상호 작용, 두껍게 탄소 하나 원자의 장의 이론 모형.

graphene에 있는 전기 전하 운반체는 물자에 있는 모든 전자의 "액체"를 통해서 음파 같이 움직이는 플라스몬 조밀도 진동에 의해 차례차례로 영향을 받는 긍정적인 구멍입니다, 와 부정 전자. plasmaron는 합성 입자, 플라스몬으로 결합된 전하 운반자입니다.

"plasmarons가 1960 년대 후반에 이론적으로 제시되고, 그(것)들의 간접적인 증거가 있더라도, 우리의 일은 graphene에 있는 그들의 명백한 에너지띠의 첫번째 관측입니다, 또는 실제로 어떤 물자에서," Rotenberg는 말합니다.

입자 책임 운반대의 이 3개의 종류 중 관계를, 플라스몬은 이해해서, 초고속 그밖 공구 및 응용의 광범위 컴퓨터 플러스 실내 온도 양 컴퓨터 아마 조차 건설하기 위하여 graphene가 "plasmonics"를 위해 이용되 할 수 있는 일을 서두르고 plasmarons.

이상한 graphene는 낯선 사람을 얻습니다

"Graphene 띠 간격이 없습니다,"에는 beamline 7.0.1에 Bostwick, 연구 과학자 및 연구 결과의 수석 저자를 말합니다. "중립 graphene, 채워진 원자가 악대 및 빈 전도대의 일반적인 악대 간격 도표에 Dirac 교차점이라고 칭한 점에 그들의 끝에." 충족시키는 2개의 콘으로 보입니다,

Graphene는 그(것)들에는 아무 질량도 없다 처럼 중요한 부분 광속으로 이동하는 Dirac 교차점 움직임의 가까이에 유일합니다 에서 전자. 플라스몬은 이 기본 전하에 직접 결합합니다. 그들의 주파수는 초당 사이클 (100 terahertz, 100 THz) 100개의 조 - 초당 사이클 (약간 기가헤르쯔, GHz) 대략 약간 10억개에 전형적으로 작동하는 오늘 컴퓨터에 있는 전통적인 전자공학의 주파수 보다는 매우 높이 도달할 수 있습니다.

플라스몬은 또한 광양자, 외부 근원에서 빛의 입자에 의해, 흥분할 수 있습니다. Photonics는 정보 처리를 위한 빛의 통제 그리고 사용을 포함하는 필드입니다; 플라스몬은 전통적인 photonic 장치에서 더 작은 nanoscale (미터의 billionths)에, 매우 측정된 채널 통신로를 통해서 지시될 수 있습니다.

그리고 graphene의 조밀도부터 전기 전하 운반체는, 그것 graphene nanostructures의 전자 속성을 조정하기 위하여 똑바릅니다 쉽게 좌우될 수 있습니다. 이들과 그밖 이유를 위해, Bostwick를, "graphene입니다 전자공학과 photonics를." 합병하는 매우 더 작고, 매우 더 단단 장치 nanoscale plasmonic 장치를 위한 유망한 후보자 말합니다

graphene의 간단한 원뿔 악대의 일반적인 그림은 완전한 묘사가, 그러나 아닙니다; 대신 이상화한 그림의 "드러냅니다" 전자를입니다. 뿐만 아니라 전자 (와 구멍 서로) 계속해서 상호 작용합니다 그밖 실재물은, 전통적인 악대 간격 Bostwick와 그의 합작자가 제시한 새로 발견한 plasmarons를 예상하지 못합니다 그리는가 위하여.

팀은 그들의 사실 인정을 보고하고 "에 있는 plasmarons의 관측에 있는 Aaron Bostwick 즉 자유롭 서 있기 의 Florian 얼룩, 토마스 Seyller 의 Karsten 경적, Marco Polini, Reza Asgari, 알란 H. MacDonald, 및 구내구독자에게 온라인에 사용 가능한 과학의 5월 21일 2010일 문제점에서 Eli Rotenberg에 의하여 연루를 진한 액체로 처리한 graphene를,", 토론합니다.

Graphene는 흑연을 구성하는 개별적인 층, 탄소의 연필 지도 양식으로 가장 친밀합니다; 단 하나 원자 층은 서로에 즉시 미끄러지다 흑연이 연약한 시키고 좋은 윤활유가 인 무엇에 의하여가, 강하게 비행기에서 접착되고는 그러나 약하게 비행기 사이에서 접착되는 그들의 원자. 1980년대부터, graphene 장은 탄소 nanotubes 또는 닫은 buckyball 구형체로 굴렀습니다 위로. 이론가는 오래 단 하나 graphene 장이 안으로 그들자신에 겹쳐 쌓이거나 닫혀 않는 한 존재할 수 있었다는 것을 의심했습니다.

다음 2004의 단 하나 graphene 장에서 고립되고, graphene는 많은 실험에서 그 후 이용되었습니다. 진공에서 중단된 Graphene 장은 ALS beamline 7.0.1에 Bostwick에 의하여와 Rotenberg가 능력을 발휘하는 전자 연구 결과의 종류를 위해 작동하지 않습니다. 그(것)들은 각 단호한 광전자 방출 분광학 (ARPES)로 알려져 있는 기술을 사용합니다; ARPES를 위해, 견본의 표면은 편평해야 합니다. 독립 구조로 서있는 graphene는 드물게 편평합니다 없습니다; 고작 그것은 구겨진 침대 시트를 닮습니다.

합성 입자의 심상을 그리는 전자 사용하기

"graphene의 편평한 장을 증가하는 최고 쪽의 한개 실리콘 탄화물의 결정을 가열해서 입니다,"는 Rotenberg는 말합니다, Erlangen의 대학 및 베를린에 있는 프리츠 하버 학회에게서 Karsten 경적에서 우리의 독일 동료 토마스 Seyller가 실리콘 탄화물로 작동에 전문가이다 "일어나고. 실리콘은 표면에서 물러나는 때 떠납니다 탄소 층을."

이렇게 하면에게 만들어진 편평한 graphene를 사용하여, 연구원은 ARPES에 의하여 graphene의 내재적 성질을 공부하는 것을 희망했습니다. 첫째로 ALS에서 무른 엑스선의 光速는 graphene (광전자 방출)에서 전자를 해방합니다. 다음 방향 (각) 및 방출한 전자의 속도를 측정해서, 실험은 그들의 에너지 및 기세를 복구합니다; 누적된 방출된 전자의 스펙트럼은 2차원 검출기에 직접 전달됩니다.

결과는 전자 그들자신에 의해 만든 전자 악대의 심상입니다. graphene의 경우에, 그림은, 횡단면 커트 처음부터 끝까지 형성된 x 2개의 원뿔 악대입니다.

"graphene를 가진 우리의 처음 실험에서 조차, 우리는 2 콘, 건의되는 벌거벗 전자 모형," 확실히 간단하지 않았다는 것을 ARPES 배급이 의심했습니다 Rotenberg는 말합니다. "낮은 해결책에 Dirac 교차점에 악대에 있는 꼬임이 인 것처럼 보였습니다." 벌거벗은 전자로 실제적으로 이 같은 것이 없기 때문에, 연구원은 이 fuzziness가 플라스몬을 방출하는 전하 운반체에 기인한지 생각해 보았습니다.

"그러나 이론가는 우리가," 더 강한 효력 조차 보아야 한다는 것을 생각했습니다 Rotenberg를 밝힙니다, 기질이 물리학을 좌우한지 "그래서 우리는 생각해 보고. 실리콘 탄화물 기질에 휴식하는 독립 구조로 서있는 graphene와 탄소 원자의 층은 동일하."

실리콘 탄화물 기질은 원칙상 graphene에 있는 책임 사이 상호 작용을 약해질 수 있었습니다 (대부분의 기질에 graphene의 전자 속성은 방해를 받습니다, plasmonic 효력은 관찰되고). 그러므로 팀은 기질에서 graphene 층을 고립시키고 그것 영향을 감소시키는 근본적인 실리콘 탄화물에 접착시킨 수소 원자를 소개했습니다. 지금 graphene 필름은 충분히 납작하게 ARPES로 그러나 그것의 본질적인 상호 작용을 제시하기 위하여 충분히 고립시킨 공부하기 위한 것이었습니다.

ARPES에 의해 장악된 심상은 실제로 전자의 광전자 방출 후에 뒤에 남겨둔 구멍의 역동성을 반영합니다. 흥분하는 구멍의 일생 그리고 질량은 음자 (결정 격자에 있는 원자의 진동)와 같은 그밖 흥분에서 뿌리기에 강하게 지배를 받습니다 또는 만들어서 새로운 전자 구멍은 한 쌍이 됩니다.

"graphene의 경우에, 전자는 정규적인 구멍의 뒤에 떠날 수 있습니다 또는 플라스몬 plasmaron에 바운스되는 구멍," Rotenberg를 말합니다.

함께 취해, 상호 작용은 극적으로 ARPES 스펙트럼을 좌우했습니다. graphene에 여분 전자를 추가하기 위하여 연구원이 탄소 원자의 층 꼭대기에 칼륨 원자를 예금할 때, Dirac 교차점 지구의 상세한 ARPES 그림은 나왔습니다. 그것은 graphene의 에너지띠가 3개의 장소에 교차하다, 1개를 아닙니다 제시했습니다.

정규적인 구멍에는 벌거벗 전자, 비 상호 작용 그림에서 것과 같이 단일 지점에 충족시키는 2개의 원뿔 악대가, 다만 있습니다. 그러나 원뿔 악대의 다른 쌍, plasmaron 악대는 두번째 의 Dirac 더 낮은 교차점에, 충족시킵니다. 이 교차점 반지는 사이 구멍 및 plasmaron 악대가 교차하는 곳에 속입니다.

"plasmonics의 필드를 초래하는 그들의 성격에 의해, 플라스몬은 광양자에 강하게 결합합니다, nanostructures에 있는 빛 조작을 위한 새로운 쪽을 약속하는," Rotenberg는 말합니다. "지금 우리는 플라스몬이 graphene에는 전자공학의 합병 분야에서, photonics 놀 있을 수 있다는 것을 건의하는 graphene에 있는 전하 운반체에 강하게 결합한다는 것을, 알고 있습니다, 중요한 역할이 그리고 nanoscale에 plasmonics."

이 연구는 과학의 암컷 사무실에 의해 지원되었습니다.

Last Update: 12. January 2012 23:34

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