Graphène, une couche de carbone atomiquement mince à travers laquelle les électrons peuvent voyager pratiquement sans entrave, a été largement étudiée depuis son premier isolement réussi il y a plus de 15 ans. Parmi ses nombreuses propriétés uniques, il y a la capacité de supporter des ondes électromagnétiques hautement confinées couplées à des oscillations de charge électronique - des polaritons de plasmons - qui ont des applications potentiellement larges en nanotechnologie, y compris la biodétection, informations quantiques, et l'énergie solaire.

Cependant, afin de supporter les polaritons plasmoniques, le graphène doit être chargé en appliquant une tension à une grille métallique à proximité, ce qui augmente considérablement la taille et la complexité des dispositifs nanométriques. Des chercheurs de l'Université de Columbia rapportent qu'ils ont obtenu du graphène plasmoniquement actif avec une densité de charge record sans porte externe. Ils y sont parvenus en exploitant un nouveau transfert de charge intercouche avec un accepteur d'électrons bidimensionnel connu sous le nom de -RuCl3. L'étude est maintenant disponible en ligne sous forme d'article en libre accès et paraîtra dans le numéro du 9 décembre de Nano lettres.

"Ce travail nous permet d'utiliser le graphène comme matériau plasmonique sans grilles métalliques ni sources de tension, permettant de créer pour la première fois des structures plasmoniques de graphène autonomes", a déclaré le co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering.

Tous les matériaux possèdent une propriété appelée fonction de travail, qui quantifie à quel point ils peuvent s'accrocher aux électrons. Lorsque deux matériaux différents sont mis en contact, les électrons se déplaceront du matériau avec la plus petite fonction de travail vers le matériau avec la plus grande fonction de travail, faisant que le premier se charge positivement et le second se charge négativement. C'est le même phénomène qui génère une charge statique lorsque vous frottez un ballon contre vos cheveux.

Le α-RuCl3 est unique parmi les nanomatériaux car il a une fonction de travail exceptionnellement élevée même lorsqu'il est exfolié en couches 2-D d'un ou de quelques atomes d'épaisseur. Sachant cela, les chercheurs de Columbia ont créé des empilements à l'échelle atomique constitués de graphène au-dessus de α-RuCl3. Comme prévu, des électrons ont été retirés du graphène, ce qui le rend hautement conducteur et capable d'héberger des polaritons de plasmons, sans l'utiliser sur une grille externe.

L'utilisation de α-RuCl3 pour charger le graphène apporte deux avantages principaux par rapport à la synchronisation électrique. α-RuCl3 induit une charge beaucoup plus importante que ce qui peut être obtenu avec des portes électriques, qui sont limités par la rupture de la barrière isolante avec le graphène. En outre, l'espacement entre le graphène et l'électrode de grille sous-jacente brouille la frontière entre les régions chargées et non chargées en raison de « franges de champ électrique ». Cela empêche la réalisation de caractéristiques de charge nettes dans le graphène et le long du bord du graphène nécessaires pour manifester de nouveaux phénomènes plasmoniques. En revanche, au bord du -RuCl3, la charge dans le graphène tombe à zéro presque à l'échelle atomique.

"L'une de nos principales réalisations dans ce travail est d'atteindre des densités de charge dans le graphène environ 10 fois supérieures aux limites imposées par le claquage diélectrique dans un dispositif à déclenchement standard, " a déclaré le responsable de l'étude, Dmitri Basov, professeur de physique. "De plus, puisque le α-RuCl3 - la source de charge électronique - est en contact direct avec le graphène, les limites entre les régions chargées et non chargées dans le graphène sont très nettes. Cela nous permet d'observer une réflexion de plasmon semblable à un miroir à partir de ces bords et de créer des plasmons de bord unidimensionnels historiquement insaisissables qui se propagent le long du bord du graphène. " où les contaminants piégés entre les deux couches perturbent le transfert de charge.

« Nous étions très heureux de voir à quel point la densité de charge du graphène peut changer brutalement dans ces appareils, " a déclaré Daniel Rizzo, un chercheur postdoctoral avec Basov et l'auteur principal de l'article. "Notre travail est une preuve de concept pour le contrôle de charge nanométrique qui était auparavant le domaine de la fantaisie."

Le travail a été effectué dans le Centre de recherche sur l'énergie et les frontières sur les matériaux quantiques programmables financé par le Département de l'énergie des États-Unis et dirigé par Basov. Le projet de recherche a utilisé des installations partagées exploitées par la Columbia Nano Initiative.

Les chercheurs recherchent maintenant des voies pour utiliser le α-RuCl3 gravé comme plate-forme pour générer des modèles de charge personnalisés à l'échelle nanométrique dans le graphène afin de régler avec précision le comportement plasmonique en fonction de diverses applications pratiques. Ils espèrent également démontrer que α-RuCl3 peut être interfacé avec une large gamme de matériaux 2D pour accéder à de nouveaux comportements de matériaux qui nécessitent la densité de charge exceptionnellement élevée conférée par le transfert de charge intercouche démontré dans leur manuscrit.

Hone a noté, "Lorsque notre technique de transfert de charge intercouche est combinée avec des procédures existantes pour modeler des substrats 2D, nous pouvons facilement générer des motifs de charge nanométriques sur mesure dans le graphène. Cela ouvre une multitude de nouvelles opportunités pour de nouveaux appareils électroniques et optiques"