Defekter på atomnivå i grafen kan vara en väg framåt till mindre och snabbare elektroniska enheter, enligt en studie som leds av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Med unika egenskaper och potentiella tillämpningar inom områden från elektronik till bioenheter, grafen, som består av ett enda ark av kolatomer, har hyllats som en stigande stjärna i materialvärlden. Nu, en ORNL-studie publicerad i Naturens nanoteknik föreslår att punktfel, består av kiselatomer som ersätter enskilda kolatomer i grafen, kan hjälpa försök att överföra data i atomskala genom att koppla ljus med elektroner.

"I detta proof of concept-experiment, vi har visat att en liten tråd som består av ett par enkla kiselatomer i grafen kan användas för att omvandla ljus till en elektronisk signal, överför signalen och omvandla sedan signalen tillbaka till ljus, " sa medförfattaren Juan-Carlos Idrobo, som har en gemensam anställning vid ORNL och Vanderbilt University.

Ett ORNL-ledd team upptäckte detta nya beteende genom att använda aberrationskorrigerad skanningstransmissionselektronmikroskopi för att avbilda plasmonsvaret, eller optiskt liknande signaler, av punktdefekterna. Teamets analys fann att kiselatomerna fungerar som atomstora antenner, förstärker det lokala ytplasmonsvaret hos grafen, och skapa en prototypisk plasmonisk anordning.

"Tanken med plasmoniska enheter är att de kan konvertera optiska signaler till elektroniska signaler, " Sa Idrobo. "Så du kan göra riktigt små trådar, sätt ljus i ena sidan av tråden, och den signalen kommer att omvandlas till kollektiva elektronexcitationer som kallas plasmoner. Plasmonerna kommer att sända signalen genom tråden, kom ut på andra sidan och konvertera tillbaka till ljuset. "

Även om andra plasmoniska enheter har visats, tidigare forskning inom ytplasmoner har främst fokuserats på metaller, vilket har begränsat den skala vid vilken signalöverföringen sker.

"När forskare använder metall för plasmoniska enheter, de kan vanligtvis bara komma ner till 5 - 7 nanometer, " sa medförfattaren Wu Zhou. "Men när du vill göra saker mindre, du vill alltid veta gränsen. Ingen trodde att vi kunde komma ner till en enda atomnivå."

Fördjupad analys på nivån av en enda atom möjliggjordes genom teamets tillgång till ett elektronmikroskop som är en del av ORNL:s Shared Research Equipment (ShaRE) User Facility.

"Det är ett av endast ett fåtal elektronmikroskop i världen som vi kan använda för att titta på och studera material och få kristallografi, kemi, bindning, optiska och plasmonegenskaper på atomär skala med en atoms känslighet och vid låga spänningar, ", sa Idrobo. "Detta är ett idealiskt mikroskop för människor som vill forska i kolbaserade material, såsom grafen. "

Förutom dess mikroskopiska observationer, ORNL-teamet använde teoretiska principberäkningar för att bekräfta stabiliteten hos de observerade punktdefekterna. Hela papperet, med titeln "Atomically Localized Plasmon Enhancement in Monolayer Graphene, "är tillgängligt online här:http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.252.html.