Een internationale onderzoeksgroep onder leiding van wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology's (NIST) Center for Nanoscale Science and Technology heeft een methode ontwikkeld voor het meten van kristaltrillingen in grafeen. Het begrijpen van deze trillingen is een cruciale stap in de richting van het beheersen van toekomstige technologieën op basis van grafeen, een één-atoom dikke vorm van koolstof.

Ze rapporteren hun bevindingen in de 19 juni, 2015, probleem van Fysieke beoordelingsbrieven .

Koolstofatomen in grafeenplaten zijn gerangschikt in een regelmatig herhalend honingraatachtig rooster - een tweedimensionaal kristal. Net als andere kristallen, wanneer voldoende warmte of andere energie wordt toegepast, de krachten die de atomen aan elkaar binden zorgen ervoor dat de atomen trillen en de energie door het materiaal verspreiden, verwant aan hoe de trilling van de snaar van een viool door het lichaam van de viool resoneert wanneer deze wordt bespeeld.

En net zoals elke viool zijn eigen unieke karakter heeft, elk materiaal trilt op unieke frequenties. De collectieve trillingen, die frequenties hebben in het terahertz-bereik (een miljard miljard trillingen per seconde), worden fononen genoemd.

Begrijpen hoe fononen op elkaar inwerken, geeft aanwijzingen over hoe in te voeren, energie uit een materiaal halen of verplaatsen. Vooral, het vinden van effectieve manieren om warmte-energie te verwijderen is van vitaal belang voor de voortgaande miniaturisering van elektronica.

Een manier om deze kleine trillingen te meten, is door elektronen van het materiaal te laten weerkaatsen en te meten hoeveel energie de elektronen hebben overgedragen aan de trillende atomen. Maar het is moeilijk. De techniek, genaamd inelastische elektronentunneling spectroscopie, lokt slechts een kleine blip uit die moeilijk te onderscheiden is van meer rauwe verstoringen.

"Onderzoekers worden vaak geconfronteerd met het vinden van manieren om steeds kleinere signalen te meten, " zegt NIST-onderzoeker Fabian Natterer, "Om de chaos te onderdrukken en grip te krijgen op de kleine signalen, we gebruiken de zeer verschillende eigenschappen van het signaal zelf."

In tegenstelling tot een viool die klinkt bij de lichtste aanraking, volgens Natterer, fononen hebben een karakteristieke drempelenergie. Dat betekent dat ze niet trillen tenzij ze precies de juiste hoeveelheid energie krijgen, zoals die geleverd door de elektronen in een scanning tunneling microscoop (STM).

Om het signaal van de fononen te filteren van andere afleidingen, NIST-onderzoekers gebruikten hun STM om het aantal elektronen dat door hun grafeenapparaat beweegt systematisch te veranderen. Omdat het aantal elektronen varieerde, de ongewenste signalen varieerden ook in energie, maar de fononen bleven op hun karakteristieke frequentie gefixeerd. Het middelen van de signalen over de verschillende elektronenconcentraties verwaterde de vervelende storingen, maar versterkte de fononsignalen.

Het team kon op deze manier alle grafeenfononen in kaart brengen, en hun bevindingen kwamen goed overeen met de theoretische voorspellingen van hun Georgia Tech-medewerkers.

Volgens NIST-collega Joe Stroscio, door het signaal van de fononen te leren onderscheiden, konden ze een eigenaardig en verrassend gedrag waarnemen.

"De intensiteit van het fononsignaal nam sterk af toen we de grafeenladingsdrager van gaten naar elektronen schakelden - positieve naar negatieve ladingen, ", zegt Stroscio. "Een aanwijzing voor wat in eerste instantie de signalen van de fononen versterkt en er vervolgens voor zorgt dat ze eraf vallen, zijn fluistergalerijmodi, die worden gevuld met elektronen en de fononen stoppen met trillen wanneer we overschakelen van gat- naar elektronendoping."

Het team merkt op dat dit effect vergelijkbaar is met resonantie-geïnduceerde effecten die worden gezien in kleine moleculen. Ze speculeren dat als hetzelfde effect hier zou plaatsvinden, het zou kunnen betekenen dat het systeem - grafeen en STM - een gigantisch molecuul nabootst, maar zeggen dat ze nog steeds geen stevige theoretische basis hebben voor wat er gebeurt.

Het grafeenapparaat met hoge zuiverheid is vervaardigd door NIST-onderzoeker Y. Zhao in de Nanofab van het Center for Nanoscale Science and Technology. een nationale gebruikersfaciliteit die beschikbaar is voor onderzoekers uit het bedrijfsleven, de academische wereld en de overheid.