Plasmoniska antenner i nanoskala som kallas nonamers placerade på grafen har potential att skapa elektroniska kretsar genom att träffa dem med ljus vid särskilda frekvenser, enligt forskare vid Rice University. Den positivt och negativt dopade grafenen kan fås att bilda fantomkretsar vid behov. Kredit:Rice University
(Phys.org) – Rice University forskare dopar grafen med ljus på ett sätt som kan leda till effektivare design och tillverkning av elektronik, såväl som nya säkerhets- och kryptografienheter.
Tillverkare dopar kisel kemiskt för att justera dess halvledande egenskaper. Men genombrottet rapporterades i tidskriften American Chemical Society ACS Nano beskriver ett nytt koncept:plasmoninducerad dopning av grafen, den ultrastarka, mycket ledande, enatomtjock form av kol.
Det skulle kunna underlätta skapandet av kretsar – optiskt inducerad elektronik – på grafen mönstrad med plasmoniska antenner som kan manipulera ljus och injicera elektroner i materialet för att påverka dess konduktivitet.
Forskningen omfattar både teoretiskt och experimentellt arbete för att visa potentialen för att göra enkla, grafenbaserade dioder och transistorer på begäran. Arbetet utfördes av risforskarna Naomi Halas, Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik, professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik och astronomi och chef för Laboratoriet för nanofotonik; och Peter Nordlander, professor i fysik och astronomi samt i elektro- och datateknik; fysiker Frank Koppens från Institutet för fotoniska vetenskaper i Barcelona, Spanien; huvudförfattare Zheyu Fang, en postdoktor vid Rice; och deras kollegor.
"En av de viktigaste motiveringarna för grafenforskning har alltid handlat om elektroniken, "Folk som kan kisel förstår att elektronik bara är möjlig för att den kan vara p- och n-dopad (positiv och negativ), säger Nordlander. och vi lär oss hur detta kan göras på grafen.
"Dopningen av grafen är en nyckelparameter i utvecklingen av grafenelektronik, " sa han. "Du kan inte köpa grafenbaserade elektroniska enheter nu, men det råder ingen tvekan om att tillverkare lägger mycket kraft på det på grund av dess potentiella höga hastighet."
Forskare har undersökt många strategier för dopning av grafen, inklusive att fästa organiska eller metalliska molekyler till dess hexagonala gitter. Att göra det selektivt – och reversibelt – mottagligt för dopning skulle vara som att ha en svart tavla av grafen på vilken kretsar kan skrivas och raderas efter behag, beroende på färgerna, vinklar eller polarisering av ljuset som träffar den.
Nonamers i ritningarna längst upp och på bilderna längst ner är arrayer av nio guldnanopartiklar avsatta på grafen och inställda på speciella ljusfrekvenser. När den är upplyst, de plasmoniska partiklarna pumpar elektroner in i grafenet, enligt forskare vid Rice University som säger att tekniken kan leda till skapandet av on-demand-kretsar för elektroniska enheter. Kredit:Rice University
Möjligheten att fästa plasmoniska nanoantenner på grafen ger just en sådan möjlighet. Halas och Nordlander har stor expertis inom manipulering av kvasipartiklarna som kallas plasmoner, som kan fås att svänga på ytan av en metall. I tidigare arbeten, de lyckades deponera plasmoniska nanopartiklar som fungerar som fotodetektorer på grafen.
Dessa metallpartiklar reflekterar inte så mycket ljus som omdirigerar dess energi; de plasmoner som strömmar i vågor över ytan när de exciteras avger ljus eller kan skapa "heta elektroner" i synnerhet, kontrollerbara våglängder. Intilliggande plasmoniska partiklar kan interagera med varandra på sätt som också är avstämbara.
Den effekten kan lätt ses i grafer över materialets Fano-resonans, där de plasmoniska antennerna kallas nonamers, var och en lite mer än 300 nanometer i diameter, sprider tydligt ljus från en laserkälla förutom vid den specifika våglängd som antennerna är inställda på. För risexperimentet, dessa nonamers – åtta guldskivor i nanoskala arrangerade runt en större skiva – deponerades på ett ark av grafen genom elektronstrålelitografi. Nonamerna var inställda för att sprida ljus mellan 500 och 1, 250 nanometer, men med destruktiv störning på cirka 825 nanometer.
Vid punkten av destruktiv störning, det mesta av den infallande ljusenergin omvandlas till heta elektroner som överförs direkt till grafenarket och ändrar delar av arket från en ledare till en n-dopad halvledare.
Arrayer av antenner kan påverkas på olika sätt och gör att fantomkretsar kan materialiseras under påverkan av ljus. "Quantum dot och plasmonic nanopartikelantenner kan ställas in för att svara på i stort sett vilken färg som helst i det synliga spektrumet, ", sa Nordlander. "Vi kan till och med ställa in dem till olika polariseringstillstånd, eller formen av en vågfront.
"Det är magin med plasmonik, " sa han. "Vi kan ställa in plasmonresonansen på vilket sätt vi vill. I detta fall, vi bestämde oss för att göra det vid 825 nanometer eftersom det är mitt i spektralområdet för våra tillgängliga ljuskällor. Vi ville veta att vi kunde skicka ljus i olika färger och inte se någon effekt, och vid just den färgen se en stor effekt."
Nordlander sa att han förutser en dag då, istället för att använda en nyckel, människor kan vifta med en ficklampa i ett visst mönster för att öppna en dörr genom att inducera kretsen i ett lås på begäran. "Att öppna ett lås blir en direkt händelse eftersom vi skickar rätt ljus mot substratet och skapar de integrerade kretsarna. Det kommer bara att svara på mitt samtal, " han sa.
