(Phys.org)—Rice University-onderzoekers doping grafeen met licht op een manier die zou kunnen leiden tot een efficiënter ontwerp en fabricage van elektronica, evenals nieuwe beveiligings- en cryptografie-apparaten.

Fabrikanten dopen silicium chemisch om zijn halfgeleidende eigenschappen aan te passen. Maar de doorbraak gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano beschrijft een nieuw concept:plasmon-geïnduceerde doping van grafeen, de ultrasterke, zeer geleidend, één-atoom-dikke vorm van koolstof.

Dat zou de onmiddellijke creatie van circuits - optisch geïnduceerde elektronica - op grafeen kunnen vergemakkelijken met een patroon van plasmonische antennes die licht kunnen manipuleren en elektronen in het materiaal kunnen injecteren om de geleidbaarheid ervan te beïnvloeden.

Het onderzoek omvat zowel theoretisch als experimenteel werk om het potentieel aan te tonen voor het maken van eenvoudige, op grafeen gebaseerde diodes en transistors op aanvraag. Het werk is gedaan door Rice-wetenschappers Naomi Halas, Stanley C. Moore Professor in elektrische en computertechniek, een professor in de biomedische technologie, scheikunde, natuurkunde en sterrenkunde en directeur van het Laboratorium voor Nanofotonica; en Peter Nordlander, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en elektrotechniek en computertechniek; natuurkundige Frank Koppens van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona, Spanje; hoofdauteur Zheyu Fang, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice; en hun collega's.

"Een van de belangrijkste rechtvaardigingen voor grafeenonderzoek ging altijd over de elektronica, "Zei Nordlander. "Mensen die silicium kennen, begrijpen dat elektronica alleen mogelijk is omdat het p- en n-gedoteerd kan zijn (positief en negatief), en we leren hoe dit kan op grafeen.

"De dotering van grafeen is een belangrijke parameter in de ontwikkeling van grafeenelektronica, " zei hij. "Je kunt nu geen op grafeen gebaseerde elektronische apparaten kopen, maar het lijdt geen twijfel dat fabrikanten er veel moeite in steken vanwege de potentiële hoge snelheid."

Onderzoekers hebben veel strategieën onderzocht om grafeen te dopen, inclusief het bevestigen van organische of metalen moleculen aan het hexagonale rooster. Het selectief - en omkeerbaar - vatbaar maken voor doping zou zijn als het hebben van een grafeenbord waarop circuits naar believen kunnen worden geschreven en gewist, afhankelijk van de kleuren, hoeken of polarisatie van het licht dat erop valt.

De mogelijkheid om plasmonische nanoantennes aan grafeen te bevestigen, biedt precies zo'n mogelijkheid. Halas en Nordlander hebben aanzienlijke expertise in de manipulatie van de quasideeltjes die bekend staan ​​als plasmonen, die kan worden aangezet om te oscilleren op het oppervlak van een metaal. In eerder werk, ze slaagden erin plasmonische nanodeeltjes af te zetten die als fotodetectoren op grafeen werken.

Deze metaaldeeltjes weerkaatsen niet zozeer het licht, maar leiden de energie ervan om; de plasmonen die in golven over het oppervlak stromen wanneer ze worden geëxciteerd, zenden licht uit of kunnen met name "hete elektronen" creëren, regelbare golflengten. Aangrenzende plasmonische deeltjes kunnen met elkaar interageren op manieren die ook afstembaar zijn.

Dat effect is gemakkelijk te zien in grafieken van de Fano-resonantie van het materiaal, waar de plasmonische antennes nonames noemden, elk iets meer dan 300 nanometer breed, licht van een laserbron duidelijk verstrooien, behalve op de specifieke golflengte waarop de antennes zijn afgestemd. Voor het Rijst-experiment, die nonamen - acht gouden schijven op nanoschaal die rond één grotere schijf zijn gerangschikt - werden via elektronenstraallithografie op een vel grafeen afgezet. De nonamen werden afgestemd om licht te verstrooien tussen 500 en 1, 250 nanometer, maar met destructieve interferentie op ongeveer 825 nanometer.

Op het punt van destructieve interferentie, het grootste deel van de invallende lichtenergie wordt omgezet in hete elektronen die rechtstreeks naar de grafeenplaat worden overgebracht en delen van de plaat veranderen van een geleider in een n-gedoteerde halfgeleider.

Arrays van antennes kunnen op verschillende manieren worden beïnvloed en zorgen ervoor dat fantoomcircuits ontstaan ​​onder invloed van licht. "Quantum dot en plasmonische nanodeeltjes antennes kunnen worden afgestemd om te reageren op vrijwel elke kleur in het zichtbare spectrum, "Zei Nordlander. "We kunnen ze zelfs afstemmen op verschillende polarisatietoestanden, of de vorm van een golffront.

"Dat is de magie van plasmonica, " zei hij. "We kunnen de plasmonresonantie afstemmen op elke manier die we willen. In dit geval, we besloten het op 825 nanometer te doen omdat dat in het midden van het spectrale bereik van onze beschikbare lichtbronnen ligt. We wilden weten dat we licht in verschillende kleuren konden sturen en geen effect konden zien, en zie bij die specifieke kleur een groot effect."

Nordlander zei dat hij een dag voorziet waarop, in plaats van een sleutel te gebruiken, mensen kunnen met een zaklamp in een bepaald patroon zwaaien om een ​​deur te openen door het circuit van een slot op aanvraag te activeren. "Het openen van een slot wordt een directe gebeurtenis omdat we de juiste lichten naar het substraat sturen en de geïntegreerde schakelingen maken. Het zal alleen mijn oproep beantwoorden, " hij zei.