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| Nanomaterials | Nanoanalysis | Graphene
Petits Groupes Neufs Saisissants Au Sujet de la Structure Électronique de Graphene
Published on May 20, 2010 at 8:25 PM
Les Scientifiques travaillant à la Source Lumineuse Avancée (ALS) au Ministère De L'énergie des États-Unis le Laboratoire National de Lawrence Berkeley Ont découvert les petits groupes neufs frappants au sujet de la structure électronique du graphene, feuilles cristallines de carbone juste un atome profondément. Une équipe internationale aboutie par Aaron Bostwick et Eli Rotenberg des ALS a constaté que les plasmarons appelés de particules composées jouent un rôle indispensable en déterminant les propriétés des graphene. « Les propriétés intéressantes du graphene sont toutes des phénomènes collectifs, » dit Rotenberg, un scientifique de cadres supérieurs d'ALS responsable du programme scientifique au beamline 7 d'ALS, où le travail a été effectué. « La véritable structure électronique de Graphene ne peut pas être comprise sans comprendre les nombreuses interactions complexes des électrons avec d'autres particules. » Un modèle théorique des interactions de plasmaron dans le graphene, feuilles d'atome du carbone un profondément. Les porteurs de charge électriques dans le graphene sont des électrons négatifs et des trous positifs, qui à leur tour sont affectés par les vibrations de plasmon-densité qui déménagent comme les ondes sonores par le « liquide » de tous les électrons dans le matériau. Un plasmaron est une particule composée, un porteur de charge ajouté à un plasmon. « Bien Que les plasmarons étaient proposés théoriquement vers la fin des années 1960, et la preuve indirecte de elles a été trouvée, notre travail est la première observation de leurs bandes d'énergie distinctes dans le graphene, ou en effet en tout matériau, » Rotenberg dit. Comprenant les relations parmi ces trois genres de porteurs de particule-charge, les plasmons, et plasmarons-peuvent accélérer le jour où le graphene peut être employé pour le « plasmonics » pour établir ordinateur-peut-être même la tranche de temps ultra-rapide de température ambiante ordinateur ordinateur un large éventail de d'autres outils et applications. Le graphene Étrange obtient l'étranger « Graphene n'a aucun écartement de bande, » dit Bostwick, un scientifique de recherches sur le beamline 7.0.1 et l'auteur important de l'étude. « Sur le tableau habituel de bande-écartement du graphene neutre, de la bande remplie de valence et de la bande de conduction vide sont affichés en tant que deux cônes, qui contactent à leurs extrémités à une remarque appelée le croisement de Dirac. » Graphene est seul du fait des électrons près du mouvement de croisement de Dirac comme si elles n'ont aucune masse, se déplaçant à une part significative de vitesse de la lumière. Les Plasmons s'accouplent directement à ces frais élémentaires. Leurs fréquences peuvent atteindre 100 cycles trillion par seconde (100 terahertz, 100 THz) - beaucoup plus haut que la fréquence de l'électronique conventionnelle dans des ordinateurs d'aujourd'hui, qui font fonctionner type à environ quelques milliard de cycles par seconde (quelque gigahertz, Gigahertz). Des Plasmons peuvent également être excités par les photons, particules de la lumière, des sources externes. Photonics est la zone qui comprend le contrôle et l'utilisation de la lumière pour le traitement des données ; des plasmons peuvent être dirigés par des tunnels mesurés sur le nanoscale (milliardièmes d'un compteur), beaucoup plus petit que dans des dispositifs photoniques conventionnels. Et depuis la densité des graphene des porteurs de charge électriques peuvent facilement être influencés, il est droit pour ajuster les propriétés électroniques des nanostructures de graphene. Pour ces derniers et d'autres raisons, dit Bostwick, « graphene est un candidat prometteur pour les dispositifs plasmonic de dispositifs-nanoscale beaucoup plus petits et beaucoup plus rapides qui fusionnent l'électronique et le photonics. » L'illustration habituelle des bandes coniques simples des graphene n'est pas une description complète, cependant ; au lieu de cela c'est une illustration idéalisée de « découvrent » des électrons. Non seulement les électrons (et les trous) agissent l'un sur l'autre soutenu les uns avec les autres et d'autres entités, le bande-écartement traditionnel décrivent-elles ne prévoit pas les plasmarons neuf découverts indiqués par Bostwick et ses collaborateurs. L'équipe enregistre leurs découvertes et discute les implications dans des « Observations des plasmarons quasi-libre-en restant le graphene dopé, » par Aaron Bostwick, Point de Florian, Thomas Seyller, Cor de Karsten, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, et Eli Rotenberg, dans la question du 21 mai 2010 de la Science, accessible en ligne aux abonnés. Graphene est le plus familier comme différentes couches qui composent le graphite, la forme de faisceau-plomb du carbone ; ce qui rend le graphite mou et un bon lubrifiant est que les couches d'unique-atome glissent promptement plus d'une un un autre, leurs atomes fortement collés dans le plan mais faible collés entre les plans. Depuis les années 1980, les feuilles de graphene ont été embobinées dans des nanotubes de carbone ou des sphéroïdes fermés de buckyball. Les Théoriciens ont longtemps douté de que les feuilles uniques de graphene pourraient exister à moins qu'empilé ou fermé dedans sur elles-mêmes. Alors en 2004 des feuilles uniques de graphene ont été isolées, et le graphene a été depuis utilisé dans beaucoup d'expériences. Les feuilles de Graphene suspendues dans l'aspirateur ne fonctionnent pas pour le genre d'études électroniques que Bostwick et Rotenberg réalisent au beamline 7.0.1 d'ALS. Elles utilisent une technique connue sous le nom de spectroscopie cornière-resolved de photoémission (ARPES) ; pour ARPES, la surface de l'échantillon doit être plate. Le graphene Autonome est rarement plat ; au mieux il ressemble à un drap chiffonné. Utilisant des électrons pour dessiner des images des particules composées « Une des meilleures voies d'élever une feuille à plat de graphene est en chauffant un cristal de carbure de silicium, » Rotenberg dit, « et il se produit que nos collègues Allemands Thomas Seyller de l'Université d'Erlangen et de Cor de Karsten de l'Institut de Fritz Haber à Berlin sont des experts à fonctionner avec du carbure de silicium. Pendant Que le silicium recule de la surface il part d'une seule couche de carbone. » Utilisant le graphene plat effectué de cette façon, les chercheurs ont espéré étudier les propriétés intrinsèques des graphene par ARPES. D'abord une poutre des rayons X mous des ALS libère des électrons du graphene (photoémission). Alors en mesurant le sens (cornière) et la vitesse des électrons émis, l'expérience récupère leur énergie et élan ; l'éventail des électrons émis cumulatifs est transmis directement sur un détecteur bidimensionnel. Le résultat est une image des bandes électroniques produites par les électrons eux-mêmes. Dans le cas du graphene, l'illustration est x formé, un transversal a coupé les deux bandes coniques. « Même dans nos premières expériences avec le graphene, nous suspectés qui la distribution d'ARPES n'était pas aussi simple que le deux-cône, modèle de nu-électron suggéré, » Rotenberg dit. « À à basse résolution là semblé pour être un pli dans les bandes au croisement de Dirac. » Puisqu'il n'y a réellement aucune une telle chose comme électron nu, les chercheurs se sont demandés si ce manque de netteté était provoqué par des porteurs de charge émettant des plasmons. « Mais les théoriciens ont pensé que nous devrions voir encore des effets plus intenses, » indique Rotenberg, « et ainsi nous nous sommes demandés si le substrat influençait la physique. Un à une seule couche des atomes de carbone posant sur un substrat de carbure de silicium n'est pas identique que le graphene autonome. » Le substrat de silicium-carbure pourrait en principe affaiblir les interactions entre les frais dans le graphene (sur la plupart des substrats les propriétés électroniques du graphene sont dérangées, et on ne peut pas observer les effets plasmonic). Par Conséquent l'équipe a introduit les atomes d'hydrogène qui ont collé sur le carbure de silicium fondamental, isolant la couche de graphene du substrat et réduisant son influence. Maintenant le film de graphene était assez à plat d'étudier avec ARPES mais suffisamment d'isolement pour indiquer ses interactions intrinsèques. Les images obtenues par ARPES réfléchissent réellement la dynamique des trous laissés après photoémission des électrons. La vie et la masse des trous enthousiastes sont sujettes fortement à la dispersion d'autres excitations telles que les phonons (vibrations des atomes dans le réseau cristallin), ou en produisant l'électron-trou neuf appareille. « Dans le cas du graphene, l'électron peut laisser ou un trou normal ou un trou lié à un plasmaron de plasmon-un, » dit Rotenberg. Prises ensemble, les interactions ont excessivement influencé le spectre d'ARPES. Quand les chercheurs ont déposé des atomes de potassium placé sur la couche d'atomes de carbone pour ajouter les électrons supplémentaires au graphene, une illustration détaillée d'ARPES de la région de croisement de Dirac a apparu. Elle a indiqué que les bandes d'énergie du graphene croisent à trois places, non un. Les trous Normaux ont deux bandes coniques qui se réunissent à un unique, juste comme dans le nu-électron, illustration de non-interaction. Mais une autre paire de bandes coniques, les bandes de plasmaron, se réunit à une deuxième, croisement inférieur de Dirac. Entre ces croisements se trouve une sonnerie où le trou et les bandes de plasmaron croisent. « Par leur nature, les plasmons s'accouplent fortement aux photons, qui promet des voies neuves pour manipuler la lumière dans les nanostructures, provoquant la zone du plasmonics, » Rotenberg dit. « Maintenant nous savons que les plasmons s'accouplent fortement aux porteurs de charge dans le graphene, qui suggère que le graphene puisse avoir un rôle majeur à jouer dans les domaines de fusionnement de l'électronique, photonics, et le plasmonics sur le nanoscale. » Cette recherche a été supportée par le Bureau de DAINE de la Science.