Defecten op atoomniveau in grafeen kunnen een weg voorwaarts zijn naar kleinere en snellere elektronische apparaten, volgens een onderzoek onder leiding van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Met unieke eigenschappen en potentiële toepassingen in gebieden van elektronica tot biodevices, grafeen, die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, is geprezen als een rijzende ster in de materialenwereld. Nutsvoorzieningen, een ORNL-studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie suggereert dat puntdefecten, samengesteld uit siliciumatomen die individuele koolstofatomen in grafeen vervangen, zou kunnen helpen bij pogingen om gegevens op atomaire schaal over te dragen door licht te koppelen aan elektronen.

"In dit proof-of-concept-experiment, we hebben aangetoond dat een klein draadje bestaande uit een paar enkele siliciumatomen in grafeen kan worden gebruikt om licht om te zetten in een elektronisch signaal, het signaal verzenden en het signaal vervolgens weer omzetten in licht, " zei co-auteur Juan-Carlos Idrobo, die een gezamenlijke aanstelling heeft bij ORNL en Vanderbilt University.

Een door ORNL geleid team ontdekte dit nieuwe gedrag door aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie te gebruiken om de plasmonrespons in beeld te brengen, of optisch-achtige signalen, van de puntdefecten. Uit de analyse van het team bleek dat de siliciumatomen zich gedragen als antennes van atoomformaat, verbetering van de lokale oppervlakteplasmonrespons van grafeen, en het creëren van een prototypisch plasmonisch apparaat.

"Het idee met plasmonische apparaten is dat ze optische signalen kunnen omzetten in elektronische signalen, "Zei Idrobo. "Dus je zou hele kleine draadjes kunnen maken, zet licht aan één kant van de draad, en dat signaal zal worden omgezet in collectieve elektronenexcitaties die bekend staan ​​als plasmonen. De plasmonen sturen het signaal door de draad, aan de andere kant naar buiten komen en weer in het licht worden veranderd."

Hoewel andere plasmonische apparaten zijn aangetoond, eerder onderzoek naar oppervlakteplasmonen was vooral gericht op metalen, die de schaal waarop de signaaloverdracht plaatsvindt heeft beperkt.

"Als onderzoekers metaal gebruiken voor plasmonische apparaten, ze kunnen meestal maar 5 - 7 nanometer bereiken, " zei co-auteur Wu Zhou. "Maar als je dingen kleiner wilt maken, je wilt altijd de limiet weten. Niemand dacht dat we tot een enkel atoomniveau konden komen."

Een diepgaande analyse op het niveau van een enkel atoom werd mogelijk gemaakt door de toegang van het team tot een elektronenmicroscoop die deel uitmaakt van ORNL's Shared Research Equipment (ShaRE) User Facility.

"Het is de enige van de weinige elektronenmicroscopen ter wereld die we kunnen gebruiken om materialen te bekijken en te bestuderen en om kristallografie te verkrijgen, scheikunde, binding, optische en plasmoneigenschappen op atomaire schaal met gevoeligheid voor één atoom en bij lage spanningen, Idrobo zei. "Dit is een ideale microscoop voor mensen die op koolstof gebaseerde materialen willen onderzoeken, zoals grafeen."

Naast de microscopische waarnemingen, het ORNL-team gebruikte theoretische eerste-principeberekeningen om de stabiliteit van de waargenomen puntdefecten te bevestigen. Het volledige papier, getiteld "Atomically Localized Plasmon Enhancement in Monolayer Graphene, " is hier online beschikbaar:http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.252.html.