Platform Baru Menghasilkan Eksitasi Materi Cahaya Hibrid dalam Grafena Bermuatan Tinggi

Platform Baru Menghasilkan Eksitasi Materi Cahaya Hibrid dalam Grafena Bermuatan Tinggi


Peneliti Columbia adalah orang pertama yang menggunakan muatan statis antara lapisan atom 2D untuk memberikan rute baru untuk menghasilkan poligon graphene plasmon tanpa sumber daya eksternal atau dopan kimiawi; Penemuan memiliki aplikasi luas dalam nanoteknologi.

Newswise – New York, NY — 2 Desember 2020 — Graphene, lapisan karbon setipis atom tempat elektron dapat melakukan perjalanan hampir tanpa hambatan, telah dipelajari secara ekstensif sejak isolasi pertama yang berhasil lebih dari 15 tahun yang lalu. Di antara banyak sifat uniknya adalah kemampuan untuk mendukung gelombang elektromagnetik yang sangat terbatas yang digabungkan dengan osilasi muatan elektronik — polariton plasmon — yang berpotensi memiliki aplikasi luas dalam nanoteknologi, termasuk biosensing, informasi kuantum, dan energi matahari.

Namun, untuk mendukung polariton plasmon, graphene harus diisi dengan menerapkan tegangan ke gerbang logam terdekat, yang sangat meningkatkan ukuran dan kompleksitas perangkat skala nano. Peneliti Universitas Columbia melaporkan bahwa mereka telah mencapai graphene aktif secara plasmonik dengan kepadatan muatan tertinggi tanpa gerbang eksternal. Mereka mencapai ini dengan memanfaatkan transfer muatan interlayer baru dengan akseptor elektron dua dimensi yang dikenal sebagai a-RuCl.3. Studi ini sekarang tersedia online sebagai artikel akses terbuka dan akan muncul pada 9 Desemberth isu dari Huruf Nano.

“Pekerjaan ini memungkinkan kami untuk menggunakan graphene sebagai bahan plasmonik tanpa gerbang logam atau sumber tegangan, sehingga memungkinkan untuk membuat struktur plasmonik graphene yang berdiri sendiri untuk pertama kalinya,” kata co-PI James Hone, Profesor Mekanik Wang Fong-Jen Teknik di Columbia Engineering.

Semua bahan memiliki sifat yang dikenal sebagai fungsi kerja, yang mengukur seberapa erat mereka dapat berpegang pada elektron. Ketika dua material yang berbeda saling berhubungan, elektron akan berpindah dari material dengan fungsi kerja yang lebih kecil ke material dengan fungsi kerja yang lebih besar, menyebabkan material yang pertama menjadi bermuatan positif dan material yang terakhir menjadi bermuatan negatif. Ini adalah fenomena yang sama yang menghasilkan muatan statis saat Anda menggosokkan balon ke rambut Anda.

a-RuCl3 unik di antara material nano karena memiliki fungsi kerja yang sangat tinggi bahkan ketika terkelupas ke lapisan 2D setebal satu atau beberapa atom. Mengetahui hal ini, para peneliti Columbia membuat tumpukan skala atom yang terdiri dari graphene di atas a-RuCl3. Seperti yang diharapkan, elektron dihilangkan dari graphene, membuatnya sangat konduktif dan mampu menjadi tuan rumah polariton plasmon — tanpa menggunakan gerbang eksternal.

Menggunakan a-RuCl3 untuk mengisi daya graphene membawa dua keunggulan utama dibandingkan gerbang listrik. a-RuCl3 menginduksi muatan yang jauh lebih besar daripada yang dapat dicapai dengan gerbang listrik, yang dibatasi oleh kerusakan penghalang isolasi dengan graphene. Selain itu, jarak antara graphene dan elektroda gerbang yang mendasari mengaburkan batas antara daerah bermuatan dan tidak bermuatan karena “fringing medan listrik.” Ini mencegah realisasi fitur muatan tajam dalam graphene dan sepanjang tepi graphene yang diperlukan untuk mewujudkan fenomena plasmonik baru. Sebaliknya, di tepi a-RuCl3, muatan dalam graphene turun menjadi nol hampir pada skala atom.

“Salah satu pencapaian utama kami dalam pekerjaan ini adalah mencapai kepadatan muatan dalam graphene kira-kira 10 kali lebih besar dari batas yang ditentukan oleh kerusakan dielektrik pada perangkat berpagar standar,” kata pemimpin studi PI Dmitri Basov, profesor fisika. “Apalagi, sejak a-RuCl3—Sumber muatan elektronik — bersentuhan langsung dengan graphene, batas antara daerah bermuatan dan tidak bermuatan di graphene sangat tajam. Hal ini memungkinkan kami untuk mengamati pantulan plasmon seperti cermin dari tepi ini dan membuat plasmon tepi satu dimensi yang secara historis sulit dipahami dan menyebar di sepanjang tepi graphene. ” Tim juga mengamati batas tajam di “gelembung nano,” di mana kontaminan yang terperangkap di antara dua lapisan mengganggu transfer muatan.

“Kami sangat senang melihat betapa tiba-tiba kepadatan muatan graphene dapat berubah dalam perangkat ini,” kata Daniel Rizzo, seorang ilmuwan penelitian postdoctoral dengan Basov dan penulis utama makalah tersebut. “Pekerjaan kami adalah bukti konsep untuk kontrol muatan nanometer yang sebelumnya merupakan dunia fantasi.”

Pekerjaan itu dilakukan di Energy and Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials yang didanai oleh Departemen Energi Amerika Serikat dan dipimpin oleh Basov. Proyek penelitian menggunakan fasilitas bersama yang dioperasikan oleh Columbia Nano Initiative.

Para peneliti sekarang mengejar rute untuk menggunakan terukir a-RuCl3 sebagai platform untuk menghasilkan pola muatan skala nano kustom dalam graphene untuk secara tepat menyesuaikan perilaku plasmonik sesuai dengan berbagai aplikasi praktis. Mereka juga berharap untuk mendemonstrasikan a-RuCl itu3 dapat dihubungkan dengan berbagai material 2D untuk mengakses perilaku material baru yang memerlukan kepadatan muatan yang sangat tinggi yang diberikan oleh transfer muatan antar lapisan yang ditunjukkan dalam naskah mereka.

Hone mencatat, “Ketika teknik transfer muatan antar lapisan kami dikombinasikan dengan prosedur yang ada untuk memetakan substrat 2D, kami dapat dengan mudah menghasilkan pola muatan skala nano yang dibuat khusus dalam graphene. Ini membuka banyak peluang baru untuk perangkat elektronik dan optik baru. ”

Tentang Studi

Penelitian tersebut diberi judul “Charge-Transfer Plasmon Polaritons di Graphene /Sebuah-RuCl3 Antarmuka. ”

Penulis adalah: Daniel J. Rizzo1, Bjarke S. Jessen1,2, Zhiyuan Sun.1, Francesco L. Ruta1,3, Jin Zhang4, Jia-Qiang Yan5,6, Lede Xian4, Alexander S. McLeod1, Michael E. Berkowitz1, Kenji Watanabe7, Takashi Taniguchi8, Stephen E. Nagler9, David G. Mandrus5,6, Angel Rubio4,10,11, Michael M. Fogler12, Andrew J. Millis1,10, James C. Hone2, Cory R. Dean1, DN Basov1
1Departemen Fisika, Universitas Columbia
2Departemen Teknik Mesin, Teknik Columbia
3Departemen Fisika Terapan dan Matematika Terapan, Teknik Columbia
4Departemen Teori, Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Materi dan Pusat Ilmu Laser Elektron Bebas, Hamburg, Jerman
5Divisi Sains dan Teknologi Material, Laboratorium Nasional Oak Ridge, Oak Ridge, Tennessee
6Departemen Ilmu dan Teknik Material, University of Tennessee, Knoxville
7Pusat Penelitian Bahan Fungsional, Institut Nasional Ilmu Material, Tsukuba, Jepang
8Pusat Internasional untuk Nanoarsitektur Bahan, Institut Nasional untuk Ilmu Material, Tsukuba, Jepang
9Divisi Hamburan Neutron, Laboratorium Nasional Oak Ridge, Oak Ridge, Tennessee
10Pusat Fisika Kuantum Komputasi, Institut Flatiron, New York
11Grup Spektroskopi Nano-Bio, Universitas Negeri Basque UPV / EHU, San Sebastián, Spanyol
12Departemen Fisika, Universitas California San Diego

Penelitian di Columbia ini didukung sebagai bagian dari Pusat Penelitian Perbatasan Energi pada Bahan Kuantum yang Dapat Diprogram yang didanai oleh Departemen Energi AS (DOE), Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar (BES), di bawah penghargaan no. DE-SC0019443. Studi ini juga didanai oleh European Research Council (ERC-2015-AdG694097), Cluster of Excellence “Advanced Imaging of Matter” (AIM), Grupos Consolidados (IT1249-19) dan SFB925 “Dinamika yang diinduksi cahaya dan kontrol kuantum berkorelasi sistem, ”program penelitian dan inovasi European Union Horizon 2020 di bawah Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement 886291 (PeSD-NeSL), Max Planck Institute-New York City Center for Non-Equilibrium Quantum Phenomena, Simons Foundation, Gordon dan Betty Inisiatif EPiQS Yayasan Moore, Hibah GBMF9069, Departemen Energi AS, Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar, Ilmu Material dan Divisi Teknik, Inisiatif Strategi Unsur yang dilakukan oleh MEXT, Jepang, Nomor Hibah JPMXP0112101001, Nomor Hibah JSPS KAKENHI JP20H00354 dan CREST (JPMJCR15F3), Divisi Fasilitas Pengguna Ilmiah dari US DOE Basic Energy Sciences, dan Office of Naval Research memberikan N00014-18-1-2722. DNB adalah Vannevar Bush Fa culty ONR-VB: N00014-19-1-2630 dan peneliti Moore dalam program Quantum Materials EPIQS # 9455.

###

TAUTAN:

Makalah: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c03466
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c03466
https://pubs.acs.org/
https://infrared.cni.columbia.edu/
https://quantum-materials.columbia.edu/
https://physics.columbia.edu/
http://engineering.columbia.edu/
https://engineering.columbia.edu/faculty/james-hone
https://me.columbia.edu
http://cni.columbia.edu/mrsec-1/
http://cni.columbia.edu/

###

Teknik Columbia
Columbia Engineering, yang berbasis di New York City, adalah salah satu sekolah teknik terbaik di AS dan salah satu yang tertua di negara ini. Juga dikenal sebagai The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, School memperluas pengetahuan dan memajukan teknologi melalui penelitian perintis di lebih dari 220 fakultasnya, sambil mendidik mahasiswa sarjana dan pascasarjana dalam lingkungan kolaboratif untuk menjadi pemimpin yang diinformasikan oleh landasan yang kokoh di teknik. Fakultas Sekolah berada di pusat penelitian lintas disiplin Universitas, berkontribusi pada Data Science Institute, Earth Institute, Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, Precision Medicine Initiative, dan Columbia Nano Initiative. Dipandu oleh visi strategisnya, “Teknik Columbia untuk Kemanusiaan”, Sekolah ini bertujuan untuk menerjemahkan ide menjadi inovasi yang mendorong kemanusiaan yang berkelanjutan, sehat, aman, terhubung, dan kreatif.


Diposting Oleh : http://54.248.59.145/

About the author