Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D

Поразительные Новые Детали О Электронной Структуре Graphene

Published on May 20, 2010 at 8:25 PM

Научные Работники работая на Предварительном Источнике Света (ALS) на Министерстве Энергетики США Лаборатория Лоренса Беркли Национальная открывали поражая новые детали о электронной структуре graphene, кристаллические листы углерода как раз один атом толщиной. Международная команда водить Аароном Bostwick и Eli Rotenberg ALS нашла что составные частицы вызвали игру plasmarons существенной ролью в определять свойства graphene.

«Интересные свойства graphene все собирательные явления,» говорит Rotenberg, научному работнику управленческого персонала ALS ответственному для научной программы на beamline 7 ALS, где работа была выполнена. «Структуру Graphene истинную электронную нельзя понять без понимать много сложных взаимодействий электронов с другими частицами.»

Теоретическая модель взаимодействий в graphene, листов plasmaron атома углерода одного толщиной.

Электрические переносы ионов в graphene отрицательные электроны и положительные отверстия, которые в свою очередь повлияны на колебаниями плазмон-плотности которые двигают как звуковые войны через «жидкость» всех электронов в материале. Plasmaron составная частица, перенос ионов соединенный с плазмоном.

«Хотя plasmarons были предложены теоретически в конец 60-х, и было найдено косвенное доказательство их, наша работа первое замечание их определенных энергетических зон в graphene, или деиствительно в любом материале,» Rotenberg говорит.

Понимающ отношения среди этих 3 видов несущих частиц-обязанности, плазмоны, и plasmarons-могут поторопить день когда graphene можно использовать для «plasmonics» для того чтобы построить ultrafast компьютер-возможно даже сумму комнатной температуры компьютер-плюс широкий диапазон других инструментов и применений.

Странное graphene получает незнакомца

«Graphene не имеет никакой зазор диапазона,» говорит Bostwick, научный работник исследования на beamline 7.0.1 и ведущего автор изучения. «На обычной диаграмме диапазон-зазора нейтрального graphene, заполненной валентной полосы и пустой зоны проводимости покажите как 2 конуса, который встречают на их подсказках на вызванный этап скрещиванием Dirac.»

Graphene уникально в что электроны около движения скрещивания Dirac если они не имеют никакую массу, перемещая на значительно часть скорости света. Плазмоны соединяют сразу к этим элементарным зарядам. Их частоты могут достигнуть 100 циклов в секунду триллиона (100 terahertz, 100 THz) - очень более высоко чем частота обычной электроники в сегодняшних компьютерах, которые типично работают на около немного миллиарда циклов в секунду (немного гигагерца, GHz).

Плазмоны консервируют также были в восторге фотонами, частицами света, от внешних источников. Photonics поле которое включает управление и пользу света для обрабатывать информации; плазмоны можно сразу через каналы измеренные на nanoscale (billionths метра), гораздо малее чем в обычных фотонных приборах.

И с плотности graphene электрические переносы ионов можно легко влиять на, оно прямодушны для того чтобы настроить электронные свойства nanostructures graphene. Для этих и других причин, говорит Bostwick, «graphene перспективнейший выбранный для приборов гораздо малее, очень гораздо быстре приборов-nanoscale plasmonic которые сливают электронику и photonics.»

Обычное изображение диапазонов graphene простых конических нет полного описания, однако; вместо идеализированное изображение «оголяет» электроны. Не только делают электроны (и отверстия) постоянно взаимодействуют друг с другом и другие реальности, традиционный диапазон-зазор изобразить не сумеют предсказать заново открынные plasmarons показанные Bostwick и его сотрудницами.

Команда сообщает их заключения и обсуждает прикосновенности в «Замечаниях plasmarons в quasi-свободн-стоять данное допинг graphene,» Аароном Bostwick, Пылинкой Florian, Томасом Seyller, Karsten Горном, Marco Polini, Reza Asgari, Алланом H. MacDonald, и Eli Rotenberg, в вопросе 21-ое мая 2010 Науки, доступное он-лайн к абонентам.

Graphene самые знакомые как индивидуальные слои которые составляют графит, форма карандаш-руководства углерода; что делает графит мягким и хорошая смазка что слои одиночн-атома охотно сползают над одним другое, их атомы сильно скрепленные в плоскости но слабо скрепленные между плоскостями. С 1980s, листы graphene были свернуты-вверх в nanotubes углерода или закрытые сфероиды buckyball. Теоретики длиной усомнились что одиночные листы graphene не смогут существовать если штабелировано или закрыто внутри на себе.

После Этого в 2004 одиночных листах graphene изолировал, и graphene с тех пор было использовано в много экспериментов. Листы Graphene ые в вакууме не работают для вида электронных изучений которые Bostwick и Rotenberg выполняют на beamline 7.0.1 ALS. Они используют метод известный как угл-resolved спектроскопия фотоэмиссии (ARPES); для ARPES, поверхность образца должна быть плоска. Свободн-Стоя graphene редко плоско; в лучшем случае оно походит скомканная простыня.

Используя электроны для того чтобы нарисовать изображения составных частиц

«Один из самых лучших путей вырасти плоский лист graphene путем нагревать кристалл карбида кремния,» Rotenberg говорит, «и она случается что наши Немецкие коллегаы Томас Seyller от Университета Erlangen и Karsten Горна от Института Fritz Haber в Берлине специалисты на работе с карбидом кремния. По Мере Того Как кремний отступает от поверхности он выходит одиночный слой углерода.»

Используя плоское сделанное graphene этим путем, исследователя понадеялись изучить свойства graphene внутреннеприсущие ARPES. Во Первых луч мягких рентгеновских снимков от ALS освобождает электроны от graphene (фотоэмиссии). После Этого путем измерять направление (угол) и скорость испускаемых электронов, эксперимент берет их энергию и момент; спектр кумулятивных испускаемых электронов передан сразу на плоский детектор.

Результат изображение полос электронной перестройки созданных электронами сами. В случае graphene, изображение x сформированный, крест-секционный отрезок до конца 2 конических диапазона.

«Даже в наших начальных экспериментах с graphene, мы заподозрили что распределение ARPES не было довольно как просто по мере того как 2-конус, предложенная модель чуть-чуть-электрона,» Rotenberg говорит. «На низком разрешении там похоже как зубчик в диапазонах на скрещивании Dirac.» Потому Что действительно никакая такая вещь как чуть-чуть электрон, исследователя интересовали если этот fuzziness был причинен переносами ионов испуская плазмоны.

«Только теоретики думали что мы должно увидеть даже более сильные влияния,» говорит Rotenberg, «и поэтому мы интересовали если субстрат влиял на физику. Однослойное атомов углерода отдыхая на субстрате карбида кремния нет этого же как свободн-стоя graphene.»

Субстрат кремни-карбида смог в принципе ослабеть взаимодействия между обязанностями в graphene (на большинств субстратах нарушены электронные свойства graphene, и plasmonic влияниями нельзя наблюдать). Поэтому команда ввела атомы водопода которые скрепили к основному карбиду кремния, изолируя слой graphene от субстрата и уменьшая свое влияние. Теперь фильм graphene был плоско достаточно изучить с ARPES но достаточно изолировано для того чтобы показать свои внутреннеприсущие взаимодействия.

Изображения полученные ARPES фактически отражают динамику отверстий выйденных позади после фотоэмиссии электронов. Продолжительность жизни и масса excited отверстий подлеубежал сильно разбрасывать от других возбуждений как фононы (вибрации атомов в кристаллической решетке), или путем создаваться новое электрон-отверстие спаривает.

«В случае graphene, электрон может выйти за или обычным отверстием или отверстие прыгнутое к plasmaron плазмона-,» говорит Rotenberg.

Принято совместно, взаимодействия драматически влияли на спектр ARPES. Когда исследователя депозировали атомы калия на слое атомов углерода для того чтобы добавить экстренные электроны к graphene, детальное изображение ARPES зоны скрещивания Dirac вытекло. Оно показал что энергетические зоны graphene пересекают на 3 места, не одно.

Обычные отверстия имеют 2 конических диапазона который встречают на одноточечном, как раз как в чуть-чуть-электроне, non-взаимодействуя изображении. Но другая пара конических диапазонов, диапазоны plasmaron, встречает на втором, более низкое скрещивание Dirac. Между этими скрещиваниями лежит кольцо где отверстие и диапазоны plasmaron пересекают.

«Их природой, плазмоны соединяют сильно к фотонам, который обещает новым путям для манипулировать свет в nanostructures, давая подъем к полю plasmonics,» Rotenberg говорит. «Теперь мы знаем что плазмоны соединяют сильно к переносам ионов в graphene, которое предлагает что graphene может иметь важную роль, котор нужно сыграть в сливая полях электроники, photonics, и plasmonics на nanoscale.»

Это исследование было поддержано Офисом ЛАНИ Науки.

Last Update: 12. January 2012 08:58

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