新平台在高电荷石墨烯中产生混合光物质激发

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新平台在高电荷石墨烯中产生混合光物质激发

自15年前首次成功隔离以来,石墨烯是一种原子薄的碳层,电子几乎可以不受阻碍地穿过该碳层行进。它具有许多独特的特性,能够支持与电子电荷振荡(等离激元极化子)耦合的高度局限的电磁波,这些电荷在纳米技术中具有广泛的应用前景,包括生物传感,量子信息和太阳能。

然而,为了支持等离激元极化子,必须通过向附近的金属栅极施加电压来对石墨烯进行充电,这大大增加了纳米级器件的尺寸和复杂性。哥伦比亚大学的研究人员报告说,他们已经在没有外部栅极的情况下获得了具有创纪录的高电荷密度的具有等离子体活性的石墨烯。他们通过利用称为α-RuCl3的二维电子受体进行新型层间电荷转移来实现这一目标。这项研究现在可以作为开放获取的文章在线获得,并将出现在12月9日的Nano Letters中。

“这项工作使我们能够在没有金属栅极或电压源的情况下将石墨烯用作等离子材料,这使首次创建独立的石墨烯等离子结构成为可能。”机械工程学教授王凤仁教授在哥伦比亚工程公司。

所有材料都具有称为功函数的特性,该函数可以量化它们对电子的保持力。当两种不同的材料接触时,电子将从具有较小功函数的材料移动到具有较大功函数的材料,从而使前者带正电,而后者带负电。这与在气球上擦头发时会产生静电荷的现象相同。

α-RuCl3在纳米材料中是独特的,因为即使剥落至一层或几原子厚的二维层,它也具有极高的功函。知道了这一点,哥伦比亚研究人员在α-RuCl3顶部创建了由石墨烯组成的原子级堆栈。正如预期的那样,电子从石墨烯中去除,使其具有高导电性,并能够容纳等离激元极化子,而无需在外部栅极上使用。

与电门控相比,使用α-RuCl3给石墨烯充电带来两个主要优点。α-RuCl3所感应的电荷要比电门所能产生的电荷大得多,而电门却受到绝缘层和石墨烯击穿的限制。另外,由于“电场条纹”,石墨烯和下面的栅电极之间的间隔使带电和不带电区域之间的边界模糊。这阻止了在石墨烯内以及沿着石墨烯边缘实现锋利的电荷特征,而锋利的电荷特征是表现出新的等离子体现象所必需的。相反,在α-RuCl3的边缘,石墨烯中的电荷几乎在原子尺度上降至零。

这项研究的主要物理学教授PI Dmitri Basov说:“我们在这项工作中取得的主要成就之一是,石墨烯中的电荷密度大约是标准门控器件中介电击穿所造成的极限的10倍。” “此外,由于α-RuCl3(电荷的来源)与石墨烯直接接触,因此石墨烯中带电和不带电区域之间的边界是锐利的。这使我们能够从这些观察到镜面等离子激元反射边缘并创建沿石墨烯边缘传播的历史上难以捉摸的一维边缘等离激元。” 该团队还观察到“纳米气泡”处的清晰边界,其中两层之间截留的污染物破坏了电荷转移。

Basov博士后研究科学家,论文的主要作者丹尼尔·里佐(Daniel Rizzo)表示:“看到这些设备中的石墨烯电荷密度会突然改变,我们感到非常兴奋。“我们的工作是纳米电荷控制的概念验证,以前是幻想领域。”

这项工作是在由美国能源部资助,Basov领导的可编程量子材料能源与前沿研究中心进行的。该研究项目使用了由哥伦比亚纳米计划运营的共享设施。

研究人员现在正在探索使用蚀刻的α-RuCl3作为在石墨烯中生成自定义纳米级电荷图案的平台的途径,以根据各种实际应用精确调整等离子体行为。他们还希望证明,α-RuCl3可以与各种2-D材料连接,以获取新颖的材料性能,这些性能要求通过其手稿中证明的层间电荷转移赋予极高的电荷密度。

Hone指出:“当我们的层间电荷转移技术与现有的将2D衬底图案化的程序结合使用时,我们可以轻松地在石墨烯中生成量身定制的纳米级电荷图案。这为新的电子和光学设备打开了许多新的机遇。”


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