![Massieve werkfunctie-gemedieerde ladingsoverdracht in grafeen /? - RuCl3-heterostructuren biedt de noodzakelijke voorwaarden voor het genereren van plasmonpolaritonen zonder elektrostatische of chemische doping. De afbeelding toont een karakteristiek infrarood nabij-veldbeeld van een dergelijke heterostructuur, waarbij een groot aantal plasmonische oscillaties wordt onthuld die zijn afgeleid van substantiële wederzijdse dotering van grensvlakgrafeen / α-RuCl3-lagen. Krediet: Daniel J. Rizzo / Columbia University Nieuw platform genereert hybride licht-materie-excitaties in sterk geladen grafeen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/newplatformg.jpg)
Massieve werkfunctie-gemedieerde ladingsoverdracht in grafeen /? – RuCl3-heterostructuren biedt de noodzakelijke voorwaarden voor het genereren van plasmonpolaritonen zonder elektrostatische of chemische doping. De afbeelding toont een karakteristiek infrarood nabij-veldbeeld van een dergelijke heterostructuur, waarbij een groot aantal plasmonische oscillaties wordt onthuld die zijn afgeleid van substantiële wederzijdse dotering van grensvlakgrafeen / α-RuCl3-lagen. Krediet: Daniel J. Rizzo / Columbia University
Grafeen, een atomair dunne koolstoflaag waardoor elektronen vrijwel ongehinderd kunnen reizen, is uitgebreid bestudeerd sinds de eerste succesvolle isolatie meer dan 15 jaar geleden. Een van de vele unieke eigenschappen is het vermogen om zeer beperkte elektromagnetische golven te ondersteunen die zijn gekoppeld aan oscillaties van elektronische lading – plasmon polaritonen – die potentieel brede toepassingen hebben in de nanotechnologie, inclusief biosensoren, kwantuminformatie en zonne-energie.
Om plasmonpolaritonen te ondersteunen, moet grafeen echter worden opgeladen door een spanning aan te leggen op een nabijgelegen metalen poort, wat de grootte en complexiteit van apparaten op nanoschaal aanzienlijk vergroot. Onderzoekers van Columbia University melden dat ze plasmonisch actief grafeen hebben bereikt met een recordhoge ladingsdichtheid zonder een externe poort. Ze bereikten dit door gebruik te maken van nieuwe ladingsoverdracht tussen de lagen met een tweedimensionale elektronenacceptor die bekend staat als α-RuCl3. Het onderzoek is nu online beschikbaar als open access artikel en verschijnt in het nummer van 9 december Nano Letters.
“Dit werk stelt ons in staat grafeen te gebruiken als plasmonisch materiaal zonder metalen poorten of spanningsbronnen, waardoor het voor het eerst mogelijk wordt om op zichzelf staande plasmonische structuren van grafeen te creëren”, aldus co-PI James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar Werktuigbouwkunde bij Columbia Engineering.
Alle materialen hebben een eigenschap die bekend staat als een werkfunctie, die kwantificeert hoe stevig ze elektronen kunnen vasthouden. Wanneer twee verschillende materialen met elkaar in contact worden gebracht, zullen elektronen van het materiaal met de kleinere werkfunctie naar het materiaal met de grotere werkfunctie gaan, waardoor de eerste positief geladen wordt en de laatste negatief. Dit is hetzelfde fenomeen dat statische lading genereert wanneer u een ballon tegen uw haar wrijft.
α-RuCl3 is uniek onder de nanomaterialen omdat het een uitzonderlijk hoge werkfunctie heeft, zelfs wanneer het wordt geëxfolieerd tot een 2D-laag van één of enkele atomen. Dit wetende, creëerden de Columbia-onderzoekers stapels op atomaire schaal bestaande uit grafeen bovenop α-RuCl3. Zoals verwacht werden elektronen verwijderd uit het grafeen, waardoor het zeer geleidend werd en plasmonpolaritonen kon hosten – zonder gebruik op een externe poort.
Het gebruik van α-RuCl3 om grafeen op te laden heeft twee belangrijke voordelen ten opzichte van elektrische poorten. α-RuCl3 wekt een veel grotere lading op dan kan worden bereikt met elektrische poorten, die worden beperkt door het doorbreken van de isolerende barrière met het grafeen. Bovendien vervaagt de afstand tussen grafeen en de onderliggende poortelektrode de grens tussen geladen en niet-geladen gebieden als gevolg van “elektrische veldfringing”. Dit voorkomt realisatie van scherpe ladingskenmerken in het grafeen en langs de grafeenrand die nodig zijn om nieuwe plasmonische verschijnselen te manifesteren. Aan de rand van de α-RuCl3 daarentegen zakt de lading in het grafeen op bijna atomaire schaal tot nul.
“Een van onze belangrijkste prestaties in dit werk is het bereiken van ladingsdichtheden in grafeen die ongeveer 10 keer groter zijn dan de limieten die worden opgelegd door diëlektrische doorslag in een standaard gated apparaat”, zei de hoofd-PI Dmitri Basov, hoogleraar natuurkunde. “Bovendien, aangezien de α-RuCl3 – de bron van elektronische lading – in direct contact staat met grafeen, zijn de grenzen tussen de geladen en niet-geladen gebieden in het grafeen haarscherp. Hierdoor kunnen we spiegelachtige plasmonreflecties van deze waarnemen. randen en om historisch ongrijpbare eendimensionale randplasmonen te creëren die zich voortplanten langs de grafeenrand. ” Het team observeerde ook scherpe grenzen bij “nanobellen”, waar verontreinigingen die tussen de twee lagen vastzitten de ladingsoverdracht verstoren.
“We waren erg opgewonden om te zien hoe abrupt de ladingsdichtheid van grafeen in deze apparaten kan veranderen”, zegt Daniel Rizzo, een postdoctoraal onderzoeker bij Basov en de hoofdauteur van de paper. “Ons werk is een proof-of-concept voor nanometer ladingcontrole dat voorheen het rijk van de fantasie was.”
Het werk werd uitgevoerd in het Energy and Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en geleid door Basov. Het onderzoeksproject maakte gebruik van gedeelde faciliteiten van het Columbia Nano Initiative.
De onderzoekers zoeken nu routes om geëtst α-RuCl3 te gebruiken als een platform voor het genereren van aangepaste ladingspatronen op nanoschaal in grafeen om het plasmonische gedrag nauwkeurig af te stemmen op verschillende praktische toepassingen. Ze hopen ook aan te tonen dat α-RuCl3 kan worden gekoppeld aan een breed scala aan 2-D-materialen om toegang te krijgen tot nieuw materiaalgedrag dat de uitzonderlijk hoge ladingsdichtheid vereist die wordt verleend door de ladingsoverdracht tussen de lagen zoals aangetoond in hun manuscript.
Hone merkte op: “Wanneer onze tussenlaagse ladingsoverdrachtstechniek wordt gecombineerd met bestaande procedures voor het aanbrengen van patronen op 2D-substraten, kunnen we gemakkelijk op maat gemaakte ladingspatronen op nanoschaal in grafeen genereren. Dit opent een schat aan nieuwe mogelijkheden voor nieuwe elektronische en optische apparaten”
Daniel J.Rizzo et al, Charge-Transfer Plasmon Polaritons bij Graphene / α-RuCl3 Interfaces, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c03466
Nano Letters
Geleverd door Columbia University School of Engineering and Applied Science