(Phys.org) -- Een aangelegde elektrische spanning kan een vierkante centimeter grafeen ertoe aanzetten om de transmissie van elektromagnetische straling met golflengten van het terahertz naar het middeninfrarood te veranderen en te regelen.

Het experiment aan de Rice University bevordert de wetenschap van het manipuleren van bepaalde golflengten van licht op manieren die nuttig kunnen zijn in geavanceerde elektronica en opto-elektronische meetapparatuur.

In eerder werk, het Rice-lab van natuurkundige Junichiro Kono vond een manier om arrays van koolstofnanobuisjes te gebruiken als een bijna perfecte terahertz-polarisator. Deze keer, het team onder leiding van Kono werkt op een nog fundamenteler niveau; de onderzoekers bekabelen een vel grafeen - de één atoom dikke vorm van koolstof - om een ​​elektrische spanning aan te leggen en zo te manipuleren wat bekend staat als Fermi-energie. Dat, beurtelings, laat het grafeen dienen als een zeef of een sluiter voor licht.

De ontdekking door Kono en zijn collega's van Rice en het Institute of Laser Engineering aan de Osaka University werd deze maand online gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

in grafeen, “elektronen bewegen als fotonen, of licht. Het is het snelste materiaal voor het verplaatsen van elektronen bij kamertemperatuur, " zei Kono, een professor van elektrotechniek en computertechniek en van fysica en astronomie. Hij merkte op dat veel groepen de exotische elektrische eigenschappen van grafeen bij nul- of lage frequenties hebben onderzocht.

"Er zijn theoretische voorspellingen gedaan over de ongebruikelijke terahertz- en mid-infraroodeigenschappen van elektronen in grafeen in de literatuur, maar in dit bereik was experimenteel bijna niets gedaan, ' zei Kono.

Sleutel tot het nieuwe werk, hij zei, zijn de woorden "groot gebied" en "omheind".

“Groot omdat infrarood en terahertz lange golflengten hebben en moeilijk scherp te stellen zijn op een klein gebied, ' zei Kono. “Gated betekent simpelweg dat we elektroden hebben bevestigd, en door een spanning aan te leggen tussen de elektroden en het (silicium)substraat, we kunnen de Fermi-energie afstemmen.”

Fermi-energie is de energie van de hoogst bezette kwantumtoestand van elektronen in een materiaal. Met andere woorden, het definieert een lijn die de kwantumtoestanden scheidt die worden ingenomen door elektronen van de lege toestanden. “Afhankelijk van de waarde van de Fermi-energie, grafeen kan p-type (positief) of n-type (negatief) zijn, ' zei hij.

Het maken van fijne metingen vereiste wat in de nanowereld wordt beschouwd als een zeer grote plaat grafeen, ook al was het iets kleiner dan een postzegel. De vierkante centimeter atoomdikke koolstof werd gekweekt in het laboratorium van Rice-chemicus James Tour, een co-auteur van het artikel, en gouden elektroden werden aan de hoeken bevestigd.

Het verhogen of verlagen van de aangelegde spanning stemde de Fermi-energie in de grafeenplaat af, wat op zijn beurt de dichtheid veranderde van vrije dragers die goede terahertz- en infraroodgolven absorberen. Dit gaf de grafeenplaat de mogelijkheid om sommige of alle terahertz- of infraroodgolven te absorberen of ze door te laten. Met een spectrometer het team ontdekte dat terahertz-transmissie piekte bij bijna nul Fermi-energie, rond plus-30 volt; met meer of minder spanning, het grafeen werd ondoorzichtiger. Voor infrarood, het effect was het tegenovergestelde, hij zei, omdat de absorptie groot was toen de Fermi-energie bijna nul was.

"Dit experiment is interessant omdat het ons in staat stelt de fundamentele terahertz-eigenschappen te bestuderen van vrije dragers met elektronen (geleverd door de poortspanning) of zonder, ' zei Kono. Het onderzoek strekte zich uit tot de analyse van de twee methoden waarmee grafeen licht absorbeert:via interband (voor infrarood) en intraband (voor terahertz) absorptie. Kono en zijn team ontdekten dat het variëren van de golflengte van licht dat zowel terahertz- als infraroodfrequenties bevat, een overgang mogelijk maakte van de absorptie van de ene naar de andere. “Als we de fotonenergie variëren, we kunnen soepel overgaan van het intraband terahertz-regime naar het interband-gedomineerde infrarood. Dit helpt ons de fysica te begrijpen die ten grondslag ligt aan het proces, ' zei hij.

Ze ontdekten ook dat thermisch gloeien - verwarming - van het grafeen het reinigt van onzuiverheden en de Fermi-energie verandert, hij zei.

Kono zei dat zijn laboratorium zal beginnen met het bouwen van apparaten terwijl hij nieuwe manieren onderzoekt om licht te manipuleren. misschien door grafeen te combineren met plasmonische elementen die een fijnere mate van controle mogelijk zouden maken.

Co-auteurs van het artikel zijn onder meer voormalige Rice-afgestudeerde studenten Lei Ren, Jun Yao en Zhengzong Zon; Rice afgestudeerde student Qi Zhang; Rice postdoctoraal onderzoekers Zheng Yan en Sébastien Nanot; voormalig Rice postdoctoraal onderzoeker Zhong Jin; en afgestudeerde student Ryosuke Kaneko, assistent-professor Iwao Kawayama en professor Masayoshi Tonouchi van het Laser Engineering Institute, Universiteit van Osaka.