Un modèle théorique des interactions plasmaron dans le graphène, feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur.
(PhysOrg.com) -- Les bandes d'énergie de particules complexes connues sous le nom de plasmarons ont été vues pour la première fois par des scientifiques travaillant avec le graphène à la source de lumière avancée. Leur découverte pourrait accélérer le jour où ces feuilles cristallines de carbone d'un atome d'épaisseur seulement pourront être utilisées pour construire des ordinateurs ultrarapides et d'autres appareils électroniques, photonique, et dispositifs plasmoniques à l'échelle nanométrique.
Des scientifiques travaillant à la source lumineuse avancée (ALS) du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis ont découvert de nouveaux détails frappants sur la structure électronique du graphène, feuilles cristallines de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement. Une équipe internationale dirigée par Aaron Bostwick et Eli Rotenberg de l'ALS a découvert que les particules composites appelées plasmarons jouent un rôle essentiel dans la détermination des propriétés du graphène.
« Les propriétés intéressantes du graphène sont tous des phénomènes collectifs, " dit Rotenberg, un scientifique senior de l'ALS responsable du programme scientifique de la ligne de lumière ALS 7, où le travail a été effectué. "La véritable structure électronique du graphène ne peut être comprise sans comprendre les nombreuses interactions complexes des électrons avec d'autres particules."
Les porteurs de charge électrique dans le graphène sont des électrons négatifs et des trous positifs, qui à leur tour sont affectés par les plasmons - des oscillations de densité qui se déplacent comme des ondes sonores à travers le «liquide» de tous les électrons du matériau. Un plasmaron est une particule composite, un porteur de charge couplé à un plasmon.
« Bien que les plasmarons aient été proposés théoriquement à la fin des années 1960, et des preuves indirectes d'eux ont été trouvées, notre travail est la première observation de leurs bandes d'énergie distinctes dans le graphène, ou bien dans n'importe quel matériau, ", dit Rotenberg.
Comprendre les relations entre ces trois types de particules - porteurs de charge, plasmons, et les plasmarons – pourraient accélérer le jour où le graphène pourra être utilisé pour la « plasmonique » afin de construire des ordinateurs ultrarapides – peut-être même des ordinateurs quantiques à température ambiante – ainsi qu'un large éventail d'autres outils et applications.
Le graphène étrange devient plus étrange
"Le graphène n'a pas de bande interdite, " dit Bostwick, un chercheur scientifique sur la ligne de lumière 7.0.1 et auteur principal de l'étude. "Sur le diagramme de bande interdite habituel du graphène neutre, la bande de valence pleine et la bande de conduction vide sont représentées par deux cônes, qui se rejoignent à leurs pointes à un point appelé le croisement de Dirac.
Le graphène est unique en ce que les électrons près du croisement de Dirac se déplacent comme s'ils n'avaient pas de masse, voyager à une fraction significative de la vitesse de la lumière. Les plasmons se couplent directement à ces charges élémentaires. Leurs fréquences peuvent atteindre 100 000 milliards de cycles par seconde (100 terahertz, 100 THz)—beaucoup plus élevé que la fréquence de l'électronique conventionnelle dans les ordinateurs d'aujourd'hui, qui fonctionnent généralement à environ quelques milliards de cycles par seconde (quelques gigahertz, GHz).
Les plasmons peuvent également être excités par des photons, particules de lumière, provenant de sources externes. La photonique est le domaine qui inclut le contrôle et l'utilisation de la lumière pour le traitement de l'information; les plasmons peuvent être dirigés à travers des canaux mesurés à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre), beaucoup plus petit que dans les dispositifs photoniques conventionnels.
Et puisque la densité des porteurs de charge électrique du graphène peut facilement être influencée, il est simple de régler les propriétés électroniques des nanostructures de graphène. Pour ces raisons et d'autres, dit Bostwick, "Le graphène est un candidat prometteur pour beaucoup plus petit, des appareils beaucoup plus rapides, des appareils plasmoniques à l'échelle nanométrique qui fusionnent l'électronique et la photonique.
L'image habituelle des bandes coniques simples du graphène n'est pas une description complète, toutefois; c'est plutôt une image idéalisée des électrons « nus ». Non seulement les électrons (et les trous) interagissent continuellement les uns avec les autres et avec d'autres entités, l'image traditionnelle de la bande interdite ne permet pas de prédire les plasmarons nouvellement découverts révélés par Bostwick et ses collaborateurs.
L'équipe rapporte ses découvertes et discute des implications dans "Observations of plasmarons in quasi-free-standing dopé graphène, » par Aaron Bostwick, Florian Speck, Thomas Seyller, Karsten Horn, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, et Eli Rotenberg, dans le numéro du 21 mai 2010 de Science , disponible en ligne pour les abonnés.
Le graphène est plus connu comme les couches individuelles qui composent le graphite, la forme mine de crayon du carbone; ce qui rend le graphite doux et un bon lubrifiant, c'est que les couches à un seul atome glissent facilement les unes sur les autres, leurs atomes fortement liés dans le plan mais faiblement liés entre les plans. Depuis les années 1980, Des feuilles de graphène ont été enroulées en nanotubes de carbone ou en sphéroïdes buckyball fermés. Les théoriciens ont longtemps douté que des feuilles de graphène uniques puissent exister à moins d'être empilées ou fermées sur elles-mêmes.
Puis, en 2004, des feuilles de graphène uniques ont été isolées, et le graphène a depuis été utilisé dans de nombreuses expériences. Les feuilles de graphène suspendues dans le vide ne fonctionnent pas pour le type d'études électroniques que Bostwick et Rotenberg effectuent sur la ligne de lumière ALS 7.0.1. Ils utilisent une technique connue sous le nom de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES); pour l'ARPES, la surface de l'échantillon doit être plane. Le graphène libre est rarement plat; au mieux, il ressemble à un drap de lit froissé.
Utiliser des électrons pour dessiner des images de particules composites
"L'une des meilleures façons de faire pousser une feuille plate de graphène est de chauffer un cristal de carbure de silicium, " dit Rotenberg, « Et il se trouve que nos collègues allemands Thomas Seyller de l'Université d'Erlangen et Karsten Horn de l'Institut Fritz Haber de Berlin sont des experts du travail avec le carbure de silicium. Lorsque le silicium s'éloigne de la surface, il laisse une seule couche de carbone.
Le diagramme de bande interdite « électrons nus » du graphène neutre (à droite) montre la bande de valence remplie et la bande de conduction vide formant deux cônes qui se rencontrent au croisement de Dirac (flèche). Mais même les résultats ARPES à faible résolution (à gauche) suggèrent qu'en dessous du passage de Dirac, la distribution de l'énergie et de la quantité de mouvement des porteurs de charge n'est pas si simple.
En utilisant du graphène plat fabriqué de cette façon, les chercheurs espéraient étudier les propriétés intrinsèques du graphène par ARPES. Tout d'abord, un faisceau de rayons X mous de l'ALS libère les électrons du graphène (photoémission). Puis en mesurant la direction (angle) et la vitesse des électrons émis, l'expérience récupère leur énergie et leur quantité de mouvement ; le spectre des électrons émis cumulés est transmis directement sur un détecteur bidimensionnel.
Le résultat est une image des bandes électroniques créées par les électrons eux-mêmes. Dans le cas du graphène, l'image est en forme de x, une coupe transversale à travers les deux bandes coniques.
« Même dans nos premières expériences avec le graphène, on se doutait que la distribution ARPES n'était pas aussi simple que la distribution à deux cônes, modèle à électrons nus suggéré, ", dit Rotenberg. « En basse résolution, il semblait y avoir un pli dans les bandes au passage de Dirac. » Parce qu'il n'y a pas vraiment d'électron nu, les chercheurs se sont demandé si ce flou était causé par des porteurs de charge émettant des plasmons.
"Mais les théoriciens pensaient que nous devrions voir des effets encore plus forts, " dit Rotenberg, « et nous nous sommes donc demandé si le substrat influençait la physique. Une seule couche d'atomes de carbone reposant sur un substrat de carbure de silicium n'est pas la même chose que du graphène autonome. »
Les résultats détaillés de l'ARPES révèlent que les bandes d'énergie des porteurs de charge ordinaires (trous) se rencontrent en un seul point, mais des bandes coniques de plasmarons se rencontrent à la seconde, passage inférieur de Dirac. Entre ces croisements se trouve un anneau où se croisent les bandes de trou et de plasmaron. La nouvelle image de bande indique à quel point les plasmons se couplent aux porteurs de charge dans le graphène.
Le substrat en carbure de silicium pourrait en principe affaiblir les interactions entre charges dans le graphène (sur la plupart des substrats les propriétés électroniques du graphène sont perturbées, et les effets plasmoniques ne peuvent pas être observés). Par conséquent, l'équipe a introduit des atomes d'hydrogène liés au carbure de silicium sous-jacent, isoler la couche de graphène du substrat et réduire son influence. Maintenant, le film de graphène était suffisamment plat pour être étudié avec ARPES mais suffisamment isolé pour révéler ses interactions intrinsèques.
Les images obtenues par ARPES reflètent en effet la dynamique des trous laissés après la photoémission des électrons. La durée de vie et la masse des trous excités sont fortement soumises à la diffusion d'autres excitations telles que les phonons (vibrations des atomes dans le réseau cristallin), ou en créant de nouvelles paires électron-trou.
« Dans le cas du graphène, l'électron peut laisser derrière lui soit un trou ordinaire, soit un trou lié à un plasmon - un plasmaron, », dit Rotenberg.
Pris ensemble, les interactions ont considérablement influencé le spectre ARPES. When the researchers deposited potassium atoms atop the layer of carbon atoms to add extra electrons to the graphene, a detailed ARPES picture of the Dirac crossing region emerged. It revealed that the energy bands of graphene cross at three places, not one.
Ordinary holes have two conical bands that meet at a single point, just as in the bare-electron, non-interacting picture. But another pair of conical bands, the plasmaron bands, meets at a second, lower Dirac crossing. Between these crossings lies a ring where the hole and plasmaron bands cross.
“By their nature, plasmons couple strongly to photons, which promises new ways for manipulating light in nanostructures, giving rise to the field of plasmonics, ” Rotenberg says. “Now we know that plasmons couple strongly to the charge carriers in graphene, which suggests that graphene may have an important role to play in the merging fields of electronics, photonique, and plasmonics on the nanoscale.”
