grafeen, een atomair dunne koolstoflaag waardoor elektronen vrijwel ongehinderd kunnen reizen, is uitgebreid bestudeerd sinds de eerste succesvolle isolatie meer dan 15 jaar geleden. Een van de vele unieke eigenschappen is het vermogen om zeer beperkte elektromagnetische golven te ondersteunen, gekoppeld aan oscillaties van elektronische lading - plasmonpolaritonen - die potentieel brede toepassingen hebben in nanotechnologie, inclusief biosensing, kwantum informatie, en zonne-energie.

Echter, om plasmonpolaritonen te ondersteunen, grafeen moet worden opgeladen door een spanning aan te leggen op een nabijgelegen metalen poort, wat de omvang en complexiteit van apparaten op nanoschaal aanzienlijk vergroot. Onderzoekers van de Columbia University melden dat ze plasmonisch actief grafeen hebben bereikt met een recordhoge ladingsdichtheid zonder een externe poort. Ze bereikten dit door gebruik te maken van nieuwe ladingsoverdracht tussen de lagen met een tweedimensionale elektronenacceptor die bekend staat als α-RuCl3. Het onderzoek is nu online beschikbaar als een open access artikel en zal verschijnen in het nummer van 9 december van Nano-brieven.

"Dit werk stelt ons in staat grafeen te gebruiken als een plasmonisch materiaal zonder metalen poorten of spanningsbronnen, waardoor het voor de eerste keer mogelijk is om stand-alone grafeen-plasmonische structuren te creëren", zegt co-PI James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering.

Alle materialen hebben een eigenschap die bekend staat als een werkfunctie, die kwantificeert hoe stevig ze elektronen kunnen vasthouden. Als twee verschillende materialen met elkaar in contact komen, elektronen zullen van het materiaal met de kleinere werkfunctie naar het materiaal met de grotere werkfunctie gaan, waardoor de eerste positief geladen wordt en de laatste negatief. Dit is hetzelfde fenomeen dat statische lading genereert als je een ballon tegen je haar wrijft.

α-RuCl3 is uniek onder nanomaterialen omdat het een uitzonderlijk hoge werkfunctie heeft, zelfs wanneer het wordt geëxfolieerd tot een of enkele atoomdikke 2D-lagen. Dit wetende, de Columbia-onderzoekers creëerden stapels op atomaire schaal bestaande uit grafeen bovenop α-RuCl3. Zoals verwacht, elektronen werden uit het grafeen verwijderd, waardoor het zeer geleidend is en in staat is om plasmonpolaritonen te hosten - zonder het gebruik op een externe poort.

Het gebruik van α-RuCl3 om grafeen op te laden biedt twee belangrijke voordelen ten opzichte van elektrische poorten. α-RuCl3 induceert een veel grotere lading dan kan worden bereikt met elektrische poorten, die worden beperkt door de afbraak van de isolerende barrière met het grafeen. In aanvulling, de afstand tussen grafeen en de onderliggende poortelektrode vervaagt de grens tussen geladen en niet-geladen gebieden als gevolg van "elektrische veldranden". Dit voorkomt de realisatie van scherpe ladingskenmerken in het grafeen en langs de grafeenrand die nodig zijn om nieuwe plasmonische verschijnselen te manifesteren. In tegenstelling tot, aan de rand van de α-RuCl3, de lading in het grafeen daalt tot nul op bijna de atomaire schaal.

"Een van onze belangrijkste prestaties in dit werk is het bereiken van ladingsdichtheden in grafeen die ongeveer 10 keer groter zijn dan de limieten die worden opgelegd door diëlektrische doorslag in een standaard gated apparaat, " zei de hoofdonderzoeker Dmitri Basov, hoogleraar natuurkunde. "Bovendien, aangezien de α-RuCl3 - de bron van elektronische lading - in direct contact staat met grafeen, de grenzen tussen de geladen en ongeladen gebieden in het grafeen zijn haarscherp. Dit stelt ons in staat om spiegelachtige plasmonreflectie vanaf deze randen te observeren en historisch ongrijpbare eendimensionale randplasmonen te creëren die zich langs de grafeenrand voortplanten." Het team observeerde ook scherpe grenzen bij "nanobellen, " waar verontreinigingen tussen de twee lagen de ladingsoverdracht verstoren.

"We waren erg opgewonden om te zien hoe abrupt de ladingsdichtheid van grafeen in deze apparaten kan veranderen, " zei Daniël Rizzo, een postdoctoraal onderzoeker met Basov en de hoofdauteur op het papier. "Ons werk is een proof-of-concept voor nanometerladingscontrole die voorheen het rijk van de fantasie was."

Het werk werd uitgevoerd in het Energy and Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en geleid door Basov. Het onderzoeksproject maakte gebruik van gedeelde faciliteiten van het Columbia Nano Initiative.

De onderzoekers volgen nu routes om geëtst α-RuCl3 te gebruiken als een platform voor het genereren van aangepaste ladingspatronen op nanoschaal in grafeen om het plasmonische gedrag nauwkeurig af te stemmen op verschillende praktische toepassingen. Ze hopen ook aan te tonen dat α-RuCl3 kan worden gekoppeld aan een breed scala aan 2D-materialen om toegang te krijgen tot nieuw materiaalgedrag dat de uitzonderlijk hoge ladingsdichtheid vereist die wordt verleend door tussenlaagse ladingsoverdracht die in hun manuscript wordt aangetoond.

Hone merkte op, "Wanneer onze tussenlaagse ladingsoverdrachtstechniek wordt gecombineerd met bestaande procedures voor het patroontekenen van 2D-substraten, we kunnen gemakkelijk op maat gemaakte ladingspatronen op nanoschaal genereren in grafeen. Dit opent een schat aan nieuwe mogelijkheden voor nieuwe elektronische en optische apparaten"