Un groupe de recherche international dirigé par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Nanoscale Science and Technology a développé une méthode pour mesurer les vibrations des cristaux dans le graphène. Comprendre ces vibrations est une étape critique vers la maîtrise des futures technologies basées sur le graphène, une forme de carbone d'une épaisseur d'un atome.

Ils rapportent leurs conclusions le 19 juin 2015, problème de Lettres d'examen physique .

Les atomes de carbone dans les feuilles de graphène sont disposés dans un réseau en nid d'abeille qui se répète régulièrement, un cristal bidimensionnel. Comme d'autres cristaux, quand suffisamment de chaleur ou d'autre énergie est appliquée, les forces qui lient les atomes entre eux font vibrer les atomes et répartissent l'énergie dans tout le matériau, semblable à la façon dont la vibration de la corde d'un violon résonne dans tout le corps du violon lorsqu'elle est jouée.

Et tout comme chaque violon a son propre caractère unique, chaque matériau vibre à des fréquences uniques. Les vibrations collectives, qui ont des fréquences de l'ordre du térahertz (un milliard de milliards d'oscillations par seconde), sont appelés phonons.

Comprendre comment les phonons interagissent donne des indices sur la façon de mettre en place, retirer ou déplacer de l'énergie à l'intérieur d'un matériau. En particulier, trouver des moyens efficaces d'éliminer l'énergie thermique est vital pour la miniaturisation continue de l'électronique.

Une façon de mesurer ces minuscules vibrations est de faire rebondir des électrons sur le matériau et de mesurer la quantité d'énergie que les électrons ont transférée aux atomes vibrants. Mais c'est difficile. La technique, appelée spectroscopie à effet tunnel électronique inélastique, ne provoque qu'un petit accrochage qui peut être difficile à déceler par rapport à des perturbations plus bruyantes.

« Les chercheurs doivent souvent trouver des moyens de mesurer des signaux de plus en plus petits, " déclare Fabian Natterer, chercheur au NIST, "Pour supprimer le chaos et maîtriser les petits signaux, nous utilisons les propriétés très distinctes du signal lui-même."

Contrairement à un violon qui sonne au moindre contact, selon Natterer, les phonons ont une énergie de seuil caractéristique. Cela signifie qu'ils ne vibreront pas s'ils n'obtiennent pas la bonne quantité d'énergie, tel que celui fourni par les électrons dans un microscope à effet tunnel (STM).

Pour filtrer le signal des phonons des autres distractions, Les chercheurs du NIST ont utilisé leur STM pour modifier systématiquement le nombre d'électrons se déplaçant dans leur dispositif au graphène. Comme le nombre d'électrons varie, les signaux indésirables variaient également en énergie, mais les phonons restaient fixés à leur fréquence caractéristique. La moyenne des signaux sur les différentes concentrations d'électrons a dilué les perturbations gênantes, mais a renforcé les signaux de phonons.

L'équipe a pu cartographier tous les phonons du graphène de cette façon, et leurs résultats concordaient bien avec les prédictions théoriques de leurs collaborateurs de Georgia Tech.

Selon Joe Stroscio, membre du NIST, apprendre à capter le signal des phonons leur a permis d'observer un comportement particulier et surprenant.

"L'intensité du signal phonon a fortement chuté lorsque nous avons basculé le porteur de charge de graphène des trous aux électrons - charges positives à négatives, " dit Stroscio. " Un indice de ce qui améliore initialement les signaux des phonons, puis les fait tomber, sont les modes de galerie de chuchotement, qui se remplissent d'électrons et empêchent les phonons de vibrer lorsque nous passons du dopage trou au dopage électronique."

L'équipe note que cet effet est similaire aux effets induits par la résonance observés dans les petites molécules. Ils spéculent que si le même effet se produisait ici, cela pourrait signifier que le système - graphène et STM - imite une molécule géante, mais dites qu'ils n'ont toujours pas de fondement théorique solide pour ce qui se passe.

Le dispositif de graphène de haute pureté a été fabriqué par le chercheur du NIST Y. Zhao dans le Nanofab du Center for Nanoscale Science and Technology, une facilité d'utilisation nationale à la disposition des chercheurs de l'industrie, le monde universitaire et le gouvernement.