science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Afstembaar grafeenapparaat gedemonstreerd:eerste tool in kit om terahertz light aan het werk te zetten

De grafeen-microribbon-array kan op drie manieren worden afgestemd. Door de breedte van de linten te variëren, verandert de plasmonresonantiefrequentie en worden de overeenkomstige frequenties van terahertz-licht geabsorbeerd. Plasmonrespons is veel sterker wanneer er een dichte concentratie van ladingsdragers (elektronen of gaten) is, geregeld door de spanning van de bovenste poort te variëren. Eindelijk, licht dat loodrecht op de linten is gepolariseerd, wordt sterk geabsorbeerd bij de plasmonresonantiefrequentie, terwijl parallelle polarisatie zo'n reactie niet vertoont. Krediet:Lawrence Berkeley National Laboratory

Terahertz-licht met lange golflengte is onzichtbaar - het bevindt zich aan het verste uiteinde van het verre infrarood - maar het is nuttig voor alles, van het detecteren van explosieven op de luchthaven tot het ontwerpen van medicijnen tot het diagnosticeren van huidkanker. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab) en de University of California in Berkeley hebben een apparaat op microschaal aangetoond dat is gemaakt van grafeen - de opmerkelijke vorm van koolstof die slechts één atoom dik is - waarvan de sterke respons op licht op terahertz-frequenties kan worden afgestemd met uitstekende precisie.

"Het hart van ons apparaat is een array gemaakt van grafeenlinten van slechts een miljoenste van een meter breed, " zegt Feng Wang van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die ook een assistent-professor natuurkunde is aan UC Berkeley, en wie leidde het onderzoeksteam. "Door de breedte van de linten en de concentratie van ladingsdragers erin te variëren, we kunnen de collectieve oscillaties van elektronen in de microribbons beheersen."

De naam voor dergelijke collectieve oscillaties van elektronen is "plasmonen, " een woord dat diepzinnig klinkt, maar effecten beschrijft die net zo bekend zijn als de gloeiende kleuren in glas-in-loodramen.

"Plasmonen in hoogfrequent zichtbaar licht komen voor in driedimensionale metalen nanostructuren, " zegt Wang. De kleuren van middeleeuws glas in lood, bijvoorbeeld, resulteren uit oscillerende verzamelingen van elektronen op de oppervlakken van nanodeeltjes van goud, koper, en andere metalen, en zijn afhankelijk van hun grootte en vorm. "Maar grafeen is maar één atoom dik, en zijn elektronen bewegen in slechts twee dimensies. Bij 2D-systemen, plasmonen komen voor bij veel lagere frequenties."

De golflengte van terahertz-straling wordt gemeten in honderden micrometers (miljoensten van een meter), toch is de breedte van de grafeenlinten in het experimentele apparaat slechts één tot vier micrometer elk.

"Een materiaal dat bestaat uit structuren met afmetingen die veel kleiner zijn dan de relevante golflengte, en die optische eigenschappen vertoont die duidelijk verschillen van het bulkmateriaal, wordt een metamateriaal genoemd, ", zegt Wang. "Dus we hebben niet alleen de eerste studies gedaan naar de koppeling van licht en plasmon in grafeen, we hebben ook een prototype gemaakt voor toekomstige op grafeen gebaseerde metamaterialen in het terahertz-bereik."

Het team rapporteert hun onderzoek in Natuur Nanotechnologie , beschikbaar in geavanceerde online publicatie.

Hoe de plasmonen te duwen?

In tweedimensionaal grafeen, elektronen hebben een kleine rustmassa en reageren snel op elektrische velden. Een plasmon beschrijft de collectieve oscillatie van veel elektronen, en de frequentie ervan hangt af van hoe snel golven in deze elektronenzee heen en weer klotsen tussen de randen van een grafeen-microlint. Wanneer licht van dezelfde frequentie wordt toegepast, het resultaat is "resonante excitatie, " een duidelijke toename van de sterkte van de oscillatie - en gelijktijdige sterke absorptie van het licht op die frequentie. Aangezien de frequentie van de oscillaties wordt bepaald door de breedte van de linten, door hun breedte te variëren, kan het systeem worden afgestemd om verschillende lichtfrequenties te absorberen.

Bij een constante dragerdichtheid het variëren van de breedte van de grafeenlinten - van 1 micrometer (miljoenste van een meter) tot 4 micrometer - verandert de plasmonresonantiefrequentie van 6 tot 3 terahertz. De spectra van licht dat door het apparaat (rechts) wordt doorgelaten, vertonen overeenkomstige absorptiepieken. Krediet:Lawrence Berkeley National Laboratory

De sterkte van de licht-plasmonkoppeling kan ook worden beïnvloed door de concentratie van ladingsdragers - elektronen en hun positief geladen tegenhangers, gaten. Een opmerkelijk kenmerk van grafeen is dat de concentratie van zijn ladingsdragers eenvoudig kan worden verhoogd of verlaagd door simpelweg een sterk elektrisch veld aan te leggen - de zogenaamde elektrostatische doping.

Het Berkeley-apparaat bevat beide methoden voor het afstemmen van de reactie op terahertz-licht. Microribbon-arrays werden gemaakt door een atoomdikke laag koolstof op een koperen plaat af te zetten, vervolgens de grafeenlaag overbrengen naar een siliciumoxidesubstraat en lintpatronen erin etsen. Een ionengel met contactpunten voor het variëren van de spanning werd bovenop het grafeen geplaatst.

De gated grafeen-microarray werd verlicht met terahertz-straling bij bundellijn 1.4 van Berkeley Lab's Advanced Light Source, en transmissiemetingen werden gedaan met de infraroodspectrometer van de bundellijn. Op deze manier toonde het onderzoeksteam een ​​koppeling aan tussen licht en plasmonen die een orde van grootte sterker waren dan in andere 2D-systemen.

Een laatste methode voor het regelen van de plasmonsterkte en terahertz-absorptie hangt af van polarisatie. Licht dat in dezelfde richting schijnt als de grafeenlinten vertoont geen variaties in absorptie volgens frequentie. Maar licht loodrecht op de linten - dezelfde oriëntatie als de oscillerende elektronenzee - levert scherpe absorptiepieken op. Bovendien, lichtabsorptie in conventionele 2D halfgeleidersystemen, zoals kwantumbronnen, kan alleen worden gemeten bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Het Berkeley-team mat prominente absorptiepieken bij kamertemperatuur.

"Terahertz-straling bestrijkt een spectraal bereik dat moeilijk is om mee te werken, omdat er tot nu toe geen gereedschap was, ", zegt Wang. "Nu hebben we het begin van een toolset om in dit bereik te werken, mogelijk leidend tot een verscheidenheid aan op grafeen gebaseerde terahertz-metamaterialen."

De experimentele opstelling van Berkeley is slechts een voorloper van toekomstige apparaten, die in staat zal zijn om de polarisatie te regelen en de intensiteit van terahertz-licht te wijzigen en andere optische en elektronische componenten mogelijk te maken, in toepassingen van medische beeldvorming tot astronomie – allemaal in twee dimensies.