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Marcante novos detalhes sobre a estrutura eletrônica de grafeno

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

Os cientistas que trabalham na fonte luminosa avançada (ALS) no Departamento de Energia dos EUA, Lawrence Berkeley National Laboratory descobriram marcante novos detalhes sobre a estrutura eletrônica de grafeno, folhas cristalinas de carbono com apenas um átomo de espessura. Uma equipe internacional liderada por Aaron Bostwick e Rotenberg Eli da ALS descobriram que partículas compostas chamadas plasmarons desempenhar um papel vital na determinação de propriedades do grafeno.

"As propriedades interessantes de grafeno são todos fenômenos coletivos", diz Rotenberg, um ALS cientista sênior responsável pelo programa científico no ALS beamline 7, onde o trabalho foi realizado. "Verdadeira estrutura do grafeno eletrônica não pode ser entendida sem a compreensão das interações complexas muitos dos elétrons com outras partículas."

Um modelo teórico das interações plasmaron no grafeno, folhas de carbono um átomo de espessura.

Os portadores de carga elétrica em grafeno são elétrons negativos e positivos buracos, que por sua vez são afetados por plasmons densidade oscilações que se movimentam como ondas sonoras através do "líquido" de todos os elétrons no material. A plasmaron é uma partícula composta, um transportador de carga acoplada com uma plasmon.

"Embora plasmarons foram propostos teoricamente nos anos 1960, e evidências indiretas deles foi encontrado, nosso trabalho é a primeira observação de suas bandas de energia distintas em grafeno, ou mesmo em qualquer material," diz Rotenberg.

Compreender as relações entre esses três tipos de partículas-portadores de carga, plasmons, e plasmarons-pode apressar o dia em que o grafeno poderá ser utilizado para "plasmônica" para construir computadores ultra-rápidos, talvez até mesmo em temperatura ambiente computadores quânticos de mais uma vasta gama de outras ferramentas e aplicativos.

Grafeno estranha fica estranho

"O grafeno tem gap", diz Bostwick, um cientista de pesquisa na linha de luz 7.0.1 e principal autor do estudo. "No diagrama de banda de abertura-usual de grafeno neutro, a banda de valência preenchida ea banda de condução vazia são mostrados como dois cones, que se encontram em suas pontas em um ponto chamado o cruzamento de Dirac".

Grafeno é único em que os elétrons perto do cruzamento mover Dirac como se eles não têm massa, viajando a uma fração significativa da velocidade da luz. Plasmons casal diretamente a esses encargos elementares. Suas freqüências pode chegar a 100 trilhão de ciclos por segundo (100 terahertz, 100 THz), muito maior do que a freqüência de eletrônica convencional em computadores de hoje, que tipicamente operam em cerca de alguns bilhões de ciclos por segundo (um gigahertz poucos GHz).

Plasmons também pode ser animado por fótons, partículas de luz, a partir de fontes externas. Fotônica é o campo que inclui o controle e uso da luz para o processamento de informações; plasmons podem ser encaminhadas através dos canais medidos na escala nanométrica (um bilionésimo de metro), muito menor do que no convencional dispositivos fotônicos.

E uma vez que a densidade de portadores elétricos grafeno carga pode ser facilmente influenciado, é muito simples de sintonizar as propriedades eletrônicas de nanoestruturas de grafeno. Por essas e outras razões, diz Bostwick ", grafeno é um candidato promissor para muito menor, muito mais rápido dispositivos em nanoescala dispositivos plasmonic que fundem eletrônica e fotônica."

A imagem usual de simples do grafeno bandas cónica não é uma descrição completa, no entanto, em vez disso é uma imagem idealizada de "nua" elétrons. Não só os elétrons (e buracos) continuamente interagem umas com as outras entidades e outros, a imagem da banda gap tradicional não consegue prever o plasmarons recém-descobertas reveladas por Bostwick e seus colaboradores.

A equipe relata suas descobertas e discutir as implicações em "Observações de plasmarons em quasi-free-standing grafeno dopado", de Aaron Bostwick, Speck Florian, Seyller Thomas, Horn Karsten, Polini Marco, Reza Asgari, H. Allan MacDonald, e Eli Rotenberg, no 21 de maio de 2010 da revista Science, on-line para assinantes disponíveis.

Grafeno é mais conhecida como as camadas individuais que formam grafite, a forma de lápis de chumbo de carbono, o que torna suave de grafite e um bom lubrificante é que as camadas do átomo único deslize facilmente uns sobre os outros, seus átomos fortemente ligados no plano, mas fracamente ligados entre aviões. Desde 1980, folhas de grafeno tem sido enrolada em nanotubos de carbono ou esferóides buckyball fechado. Teóricos muito duvidavam de que as folhas de grafeno poderia existir a não ser empilhados ou fechados em si mesmos.

Então, em 2004 folhas de grafeno só foram isolados, e grafeno tem sido usado em muitos experimentos. Folhas de grafeno suspenso no vácuo não funcionam para o tipo de estudos eletrônico que Bostwick e Rotenberg se apresentar no ALS beamline 7.0.1. Eles usam uma técnica conhecida como ângulo-resolved espectroscopia de fotoelétrons (ARPES); para ARPES, a superfície da amostra deve ser plana. Free-standing grafeno raramente é plana, no melhor dos casos se assemelha a um lençol amassado.

Utilizando elétrons para desenhar imagens de partículas compostas

"Uma das melhores formas de cultivar uma folha plana de grafeno é pelo aquecimento de um cristal de silício," diz Rotenberg, "e acontece que os nossos colegas alemães Thomas Seyller da Universidade de Erlangen e Horn Karsten do Instituto Fritz Haber, em Berlin são especialistas em trabalhar com carboneto de silício. Como o silício se retira da superfície, ele deixa uma camada de carbono único ".

Usando o grafeno plano feito desta forma, os pesquisadores esperavam para estudar as propriedades intrínsecas do grafeno por ARPES. Primeiro, um feixe de raios-X da ALS libera elétrons do grafeno (fotoemissão). Em seguida, através da medição da direção (ângulo) e velocidade dos elétrons emitidos, o experimento recupera sua energia e momento, o espectro dos elétrons emitidos acumulado é transmitido diretamente em um detector bidimensional.

O resultado é uma imagem das bandas eletrônicas criadas pelo próprios elétrons. No caso do grafeno, o quadro é x forma, um corte transversal através das duas bandas cônico.

"Mesmo em nossos experimentos iniciais com o grafeno, nós suspeitamos que a distribuição ARPES não foi tão simples como os dois cone, bare-elétron modelo sugerido", diz Rotenberg. "Em baixa resolução, parecia haver uma torção nas faixas no cruzamento Dirac". Porque não há realmente nenhuma coisa como um elétron nua, os pesquisadores se perguntaram se isso foi causado por imprecisão portadores de carga emitindo plasmons.

"Mas os teóricos pensamento que devemos ver os efeitos ainda mais fortes", diz Rotenberg, "e assim nos perguntávamos se o substrato estava influenciando a física. Uma única camada de átomos de carbono em repouso sobre um substrato de carboneto de silício não é o mesmo que free-standing grafeno . "

O substrato carboneto de silício, poderia, em princípio enfraquecem as interações entre as cargas no graphene (na maioria dos substratos as propriedades eletrônicas do grafeno são perturbados, e os efeitos plasmonic não pode ser observado). Portanto, a equipe introduziu átomos de hidrogênio que ligado ao carboneto de silício subjacente, isolando a camada de grafeno do substrato e reduzir a sua influência. Agora o filme grafeno era plana o suficiente para estudar com ARPES mas suficientemente isolado para revelar suas interações intrínsecas.

As imagens obtidas por ARPES realmente refletem a dinâmica dos buracos deixados para trás após fotoemissão de elétrons. O tempo de vida e massa dos buracos animado estão fortemente sujeitos a dispersão de excitações, tais como fônons (vibrações dos átomos na rede cristalina), ou criando novos pares elétron-buraco.

"No caso do grafeno, o elétron pode deixar para trás ou um simples buraco ou um buraco ligado a um plasmon-a plasmaron", diz Rotenberg.

Tomados em conjunto, as interações dramaticamente influenciado o espectro ARPES. Quando os pesquisadores depositaram átomos de potássio no topo da camada de átomos de carbono para adicionar elétrons extras para o grafeno, uma imagem ARPES detalhada da região cruzamento Dirac surgiu. Ele revelou que as bandas de energia da cruz de grafeno em três lugares, e não um.

Orifícios comuns têm duas bandas cônico que se encontram em um único ponto, assim como no bare-elétron, imagem não-interativas. Mas um outro par de bandas cônica, as bandas plasmaron, reúne-se um segundo, menor Dirac travessia. Entre estes encontra-se um anel de cruzamentos onde as bandas buraco e plasmaron cruz.

Last Update: 9. October 2011 02:53

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