Графен, атомарно тонкий углеродный слой, через который электроны могут путешествовать практически беспрепятственно, широко изучался с момента его первого успешного выделения более 15 лет назад. Среди его многих уникальных свойств - способность поддерживать сильно ограниченные электромагнитные волны, связанные с колебаниями электронного заряда - плазмонными поляритонами, - которые имеют потенциально широкое применение в нанотехнологиях, включая биосенсор, квантовую информацию и солнечную энергию.
Поверхностные плазмонные поляритоны, также называемые просто плазмонами, - это особые электромагнитные волны, которые могут распространяться вдоль границы металла и воздуха или диэлектрика в оптическом и инфракрасном диапазоне частот.
Исследователи из Колумбийского университета сообщают, что им удалось получить плазмонно активный графен с рекордно высокой плотностью заряда. Они достигли этого, используя новую межслойную передачу заряда с помощью двумерного акцептора электронов, известного как α-RuCl3.
«Эта работа https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03466 позволяет нам использовать графен в качестве плазмонного материала без металлических затворов или источников напряжения, что позволяет впервые создавать автономные плазмонные структуры графена», - сказал соучредитель Джеймс Хоун, профессор машиностроения Ван Фонг-Джен в Columbia Engineering.
Все материалы обладают свойством, известным как работа выхода, которая количественно определяет, насколько прочно они могут удерживать электроны.
Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла.
Когда два разных материала входят в контакт, электроны переходят от материала с меньшей работой выхода к материалу с большей работой выхода, в результате чего первый становится положительно заряженным, а второй - отрицательно заряженным.
α-RuCl3 является уникальным среди наноматериалов, потому что он имеет исключительно высокую работу выхода, даже когда он расслаивается до двухмерных слоев толщиной в один или несколько атомов.
Использование α-RuCl3 для зарядки графена дает два основных преимущества по сравнению с электрическим стробированием. α-RuCl3 индуцирует гораздо больший заряд, чем может быть достигнут с помощью электрических вентилей, которые ограничены пробоем изолирующего барьера с графеном. Кроме того, расстояние между графеном и нижележащим электродом затвора размывает границу между заряженными и незаряженными областями из-за «бахромы электрического поля». Это предотвращает реализацию острых зарядовых характеристик внутри графена и вдоль края графена, необходимых для проявления новых плазмонных явлений. Напротив, на краю α-RuCl3 заряд графена падает до нуля почти в атомном масштабе.
«Одно из наших главных достижений в этой работе - достижение плотности заряда в графене, примерно в 10 раз превышающего пределы, налагаемые пробоем диэлектрика в стандартном закрытом устройстве», - сказал руководитель исследования, профессор физики Дмитрий Басов. «Более того, поскольку α-RuCl3 - источник электронного заряда - находится в прямом контакте с графеном, границы между заряженными и незаряженными областями в графене очень резкие. Это позволяет нам наблюдать зеркальное отражение плазмонов от них. края и для создания исторически неуловимых одномерных краевых плазмонов, которые распространяются вдоль края графена ». Команда также наблюдала резкие границы в «нанопузырьках», где загрязнители, захваченные между двумя слоями, нарушают перенос заряда.
«Мы были очень взволнованы, увидев, насколько резко может измениться плотность заряда графена в этих устройствах», - сказал Дэниел Риццо, научный сотрудник Басова и ведущий автор статьи. «Наша работа является доказательством концепции нанометрового контроля заряда, который раньше был областью фантазии».
Работа проводилась в Центре энергетических и пограничных исследований программируемых квантовых материалов, финансируемом Министерством энергетики США и возглавляемом Басовым. В исследовательском проекте использовались общие объекты, находящиеся в ведении Columbia Nano Initiative.
В настоящее время исследователи ищут пути использования протравленного α-RuCl3 в качестве платформы для создания нестандартных наноразмерных диаграмм заряда в графене для точной настройки плазмонного поведения в соответствии с различными практическими применениями. Они также надеются показать как α-RuCl3 можно сопрягать с широким спектром двумерных материалов, чтобы получить доступ к новым свойствам материалов, которые требуют исключительно высокой плотности заряда, создаваемой межслойным переносом заряда.
