Het Slaan van Nieuwe Details Over de Elektronische Structuur van Graphene

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

De Wetenschappers die bij de Geavanceerde Lichtbron werken hebben (ALS) bij het Nationale Laboratorium van Lawrence Berkeley van het Ministerie van de V.S. van Energie opvallende nieuwe details over de elektronische structuur van graphene, kristallijne bladen van koolstof enkel één atoom dik ontdekt. Een internationaal die team door Aaron Bostwick en Eli Rotenberg van ALS wordt geleid vond dat de samengestelde geroepen deeltjes plasmarons een essentiële rol in het bepalen van graphene eigenschappen spelen.

De „interessante eigenschappen van graphene zijn allen collectieve fenomenen,“ zegt Rotenberg, een ALS hoger personeelswetenschapper verantwoordelijk voor het wetenschappelijke programma bij ALS beamline 7, waar het werk werd uitgevoerd. „Kan de ware elektronische structuur van Graphene zich niet begrijpen zonder de vele complexe interactie van elektronen met andere deeltjes te begrijpen.“

Een theoretisch model van plasmaroninteractie in graphene, bladen van koolstof één atoom dik.

De elektrische lastencarriers in graphene zijn negatieve elektronen en positieve gaten, die beurtelings door plasmons-dichtheid schommelingen worden beïnvloed die zich als correcte golven door de „vloeistof“ van alle elektronen in het materiaal bewegen. Een plasmaron is een samengesteld die deeltje, een lastencarrier aan plasmon wordt gekoppeld.

„Hoewel plasmarons theoretisch in de recente jaren '60 werden voorgesteld, en het indirecte bewijsmateriaal van hen is gevonden, is ons werk de eerste observatie van hun verschillende energiebanden in graphene, of inderdaad in om het even welk materiaal,“ Rotenberg zegt.

Begrijpend de verhoudingen onder deze drie soorten deeltje-last carriers, verhaasten plasmons, en plasmarons-may de dag wanneer graphene voor „plasmonics“ kan worden gebruikt om ultrasnelle computer-misschien zelfs ruimte-temperatuur te bouwen quantum computer-plus een brede waaier van andere hulpmiddelen en toepassingen.

Vreemde graphene wordt vreemder

„Graphene heeft geen bandhiaat,“ zegt Bostwick, een wetenschappelijk onderzoeker op beamline 7.0.1 en hoofdauteur van de studie. „Op het gebruikelijke diagram band-Gap van neutrale graphene, worden de gevulde valentieband en de lege geleidingsband getoond als twee kegels, die bij hun uiteinden op een punt riepen Dirac kruisend.“ samenkomen

Graphene is uniek in die elektronen dichtbij Dirac kruisend beweging alsof zij geen massa hebben, die bij een significante fractie van de snelheid van licht reizen. Plasmons koppelen rechtstreeks aan deze elementaire lasten. Hun frequenties kunnen cycli 100 triljoen per seconde (100 terahertz, 100 THz) bereiken - veel hoger dan de frequentie van conventionele elektronika in de computers van vandaag, die typisch bij ongeveer een paar miljard cycli per seconde (een paar Gigahertz, GHz) werken.

Plasmons kunnen ook door fotonen, deeltjes van licht, uit externe bronnen worden opgewekt. Photonics is het gebied dat de controle en het gebruik van licht voor informatieverwerking omvat; plasmons kunnen door kanalen worden geleid op nanoscale (miljardsten van een meter) worden gemeten, veel kleiner dan in conventionele photonic apparaten dat.

En aangezien de dichtheid van de elektrische lastencarriers van graphene gemakkelijk kan worden beïnvloed, is het ongecompliceerd om de elektronische eigenschappen van graphenenanostructures te stemmen. Om deze en andere redenen, zegt Bostwick, „graphene is een veelbelovende kandidaat voor veel kleinere, veel snellere apparaten -apparaat-nanoscale plasmonic apparaten die elektronika en photonics.“ samenvoegen

Het gebruikelijke beeld van de eenvoudige kegelbanden van graphene is geen volledige beschrijving, nochtans; in plaats daarvan is het een geïdealiseerd beeld van „naakte“ elektronen. Niet alleen staan de elektronen (en de gaten) voortdurend met elkaar in wisselwerking en andere entiteiten, het traditionele beeld band-Gap slaagt er niet in om onlangs ontdekt plasmarons geopenbaard door Bostwick en zijn medewerkers te voorspellen.

Het team meldt hun bevindingen en bespreekt de implicaties in „Observaties van plasmarons in quasi-vrij-zichbevindt gesmeerd graphene,“ door Aaron Bostwick, Vlek Florian, Thomas Seyller, Hoorn Karsten, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, en Eli Rotenberg, in de 21 kwestie van Mei 2010 van Wetenschap, beschikbaar online aan abonnees.

Graphene is het vertrouwdst als de individuele lagen die omhoog grafiet, de potlood-lood vorm van koolstof maken; wat grafiet zacht en een goed smeermiddel maakt is dat de enig-atoomlagen gemakkelijk over elkaar glijden, hun atomen zwak sterk in entrepot in het vliegtuig maar in entrepot tussen vliegtuigen. Sinds de jaren '80, graphene zijn de bladen rollen-omhoog in koolstof nanotubes of gesloten buckyball sferoïden geweest. De Theoretici betwijfelden lang of de enige graphenebladen konden bestaan tenzij gestapeld of dichterbij gekomen op zich.

Dan in 2004 waren de enige graphenebladen geïsoleerd, en graphene sindsdien is gebruikt in vele experimenten. De bladen van Graphene in vacuüm worden opgeschort werken niet voor het soort elektronische studies die Bostwick en Rotenberg bij ALS beamline 7.0.1 die uitvoeren. Zij gebruiken een techniek als de hoek-vastbesloten foto-emissiespectroscopie (ARPES die) wordt bekend; voor ARPES, moet de oppervlakte van de steekproef vlak zijn. Free-standing graphene is zelden vlak; in het gunstigste geval lijkt het op verfrommeld bedsheet.

Het Gebruiken van elektronen om beelden van samengestelde deeltjes te trekken

„Één van de beste manieren om een vlak blad van graphene te kweken is door een kristal van siliciumcarbide te verwarmen,“ Rotenberg zegt, „en het gebeurt dat onze Duitse collega's Thomas Seyller van de Universiteit van Hoorn Erlangen en Karsten van het Instituut van Fritz Haber in Berlijn deskundigen bij het werken met siliciumcarbide zijn. Aangezien het silicium van de oppervlakte achteruitgaat verlaat het één enkele koolstoflaag.“

Het Gebruiken van vlakke graphene maakte deze manier, hoopten de onderzoekers om graphene intrinsieke eigenschappen door ARPES te bestuderen. Eerst bevrijdt een straal van zachte röntgenstralen van ALS elektronen van graphene (foto-emissie). Dan door de richting (hoek) en snelheid van de uitgezonden elektronen te meten, krijgt het experiment hun energie en impuls terug; het spectrum van de cumulatieve uitgezonden elektronen wordt overgebracht direct op een tweedimensionale detector.

Het resultaat is een beeld van de elektronische die banden door de elektronen zelf worden gecreeerd. In het geval van graphene die, is het beeld x, een besnoeiing in dwarsdoorsnede door de twee kegelbanden wordt gevormd.

„Zelfs in onze aanvankelijke experimenten met graphene, verdachten wij dat de distributie ARPES niet helemaal zo eenvoudig was zoals de twee-kegel, voorgesteld naakt-elektronenmodel,“ Rotenberg zegt. „Bij lage resolutie scheen er om een knik in de banden te zijn die in Dirac.“ kruisen Omdat er werkelijk geen dergelijk ding zoals een naakt elektron is, waren de onderzoekers benieuwd of werd deze donzigheid door lastencarriers veroorzaakt die plasmons uitzenden.

„Maar de theoretici dachten wij nog sterkere gevolgen zouden moeten zien,“ zegt Rotenberg, „en zodat waren wij benieuwd of beïnvloedde het substraat de fysica. Één enkele laag koolstofatomen die op een substraat van het siliciumcarbide is rusten niet het zelfde als free-standing graphene.“

Kon het silicium-carbide substraat de interactie tussen lasten in graphene (op de meeste substraten zijn de elektronische eigenschappen van graphene gestoord, en de plasmonic gevolgen kunnen niet worden waargenomen) in principe verzwakken. Daarom introduceerde het team waterstofatomen die op het onderliggende siliciumcarbide die plakten, die de graphenelaag isoleren van het substraat en zijn invloed verminderen. Nu was de graphenefilm vlak genoeg om met ARPES te bestuderen maar isoleerde voldoende om zijn intrinsieke interactie te openbaren.

De beelden door ARPES worden verkregen wijzen eigenlijk op de dynamica van de gaten erachter verlaten na foto-emissie van de elektronen dat. Het leven en de massa van opgewekte gaten zijn sterk onderworpen aan zich het verspreiden van andere opwindingen zoals fononen (trillingen van de atomen in het kristalrooster), of door nieuwe elektron-gat paren te creëren.

„In het geval van graphene, kan het elektron achter of een gewoon gat of een gat weggaan verbindend aan plasmon-plasmaron,“ zegt Rotenberg.

Samen Genomen, beïnvloedden de interactie dramatisch het spectrum ARPES. Toen de onderzoekers kaliumatomen boven op de laag koolstofatomen deponeerden om extra elektronen aan graphene toe te voegen, tekende een gedetailleerd beeld zich ARPES van Dirac die gebied kruisen af. Het openbaarde dat de energiebanden van graphene op drie plaatsen, niet kruisen.

De Gewone gaten hebben twee kegelbanden die op één enkel punt samenkomen, enkel zoals in het naakt-elektron, niet-op elkaar inwerkt beeld. Maar een ander paar kegelbanden, de plasmaronbanden, komt bij een tweede, lagere kruising Dirac samen. Tussen deze crossings ligt een ring waar het gat en plasmaron kruis verbindt.

„Door hun aard, koppelen plasmons sterk aan fotonen, wat nieuwe manieren belooft om licht in nanostructures te manipuleren, leidend tot het gebied van plasmonics,“ Rotenberg zegt. „Weten wij Nu dat plasmons sterk aan de lastencarriers in graphene koppelen, die voorstelt dat graphene een belangrijke rol kan te vervullen hebben op het samenvoegende gebied van elektronika, photonics, en plasmonics op nanoscale.“

Dit onderzoek werd gesteund door het Bureau van DOE van Wetenschap.

Last Update: 12. January 2012 08:39

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit