En internationell forskargrupp ledd av forskare vid National Institute of Standards and Technologys (NIST) Center for Nanoscale Science and Technology har utvecklat en metod för att mäta kristallvibrationer i grafen. Att förstå dessa vibrationer är ett viktigt steg mot att kontrollera framtida teknologier baserade på grafen, en enatoms tjock form av kol.

De rapporterar sina resultat den 19 juni, 2015, frågan om Fysiska granskningsbrev .

Kolatomer i grafenark är ordnade i ett regelbundet upprepande bikakeliknande galler - en tvådimensionell kristall. Som andra kristaller, när tillräckligt med värme eller annan energi tillförs, krafterna som binder samman atomerna gör att atomerna vibrerar och sprider energin genom materialet, liknande hur vibrationen från en fiols sträng resonerar i hela fiolens kropp när den spelas.

Och precis som varje fiol har sin egen unika karaktär, varje material vibrerar vid unika frekvenser. De kollektiva vibrationerna, som har frekvenser i terahertz-området (en miljard miljarder svängningar per sekund), kallas fononer.

Att förstå hur fononer interagerar ger ledtrådar om hur man lägger in, ta ut eller flytta runt energi inuti ett material. Särskilt, Att hitta effektiva sätt att ta bort värmeenergi är avgörande för den fortsatta miniatyriseringen av elektronik.

Ett sätt att mäta dessa små vibrationer är att studsa elektroner från materialet och mäta hur mycket energi elektronerna har överfört till de vibrerande atomerna. Men det är svårt. Tekniken, kallas oelastisk elektrontunnelspektroskopi, framkallar bara ett litet slag som kan vara svårt att urskilja över mer skrällande störningar.

"Forskare ställs ofta inför att hitta sätt att mäta mindre och mindre signaler, " säger NIST-forskaren Fabian Natterer, "För att undertrycka kaoset och få grepp om de små signalerna, vi använder de mycket distinkta egenskaperna hos själva signalen."

Till skillnad från en fiol som låter vid den lättaste anslag, enligt Natterer, fononer har en karakteristisk tröskelenergi. Det betyder att de inte vibrerar om de inte får precis rätt mängd energi, såsom den som tillförs av elektronerna i ett scanning tunneling microscope (STM).

För att filtrera fononernas signal från andra distraktioner, NIST-forskare använde sin STM för att systematiskt ändra antalet elektroner som rör sig genom deras grafenenhet. Eftersom antalet elektroner varierade, de oönskade signalerna varierade också i energi, men fononerna förblev fixerade vid sin karakteristiska frekvens. Genom att medelvärdet av signalerna över de olika elektronkoncentrationerna späddes ut de irriterande störningarna, men förstärkte fononsignalerna.

Teamet kunde kartlägga alla grafenfononer på detta sätt, och deras resultat stämde väl överens med deras Georgia Tech-medarbetares teoretiska förutsägelser.

Enligt NIST Fellow Joe Stroscio, Att lära sig att plocka fram fononernas signal gjorde det möjligt för dem att observera ett märkligt och överraskande beteende.

"Fononsignalintensiteten minskade kraftigt när vi bytte grafenladdningsbärare från hål till elektroner - positiva till negativa laddningar, " säger Stroscio. "En ledtråd till vad som initialt förstärker fononernas signaler och sedan får dem att falla av är viskande gallerilägen, som blir fyllda med elektroner och stoppar fononerna från att vibrera när vi byter från hål- till elektrondopning."

Teamet noterar att denna effekt liknar resonansinducerade effekter som ses i små molekyler. De spekulerar att om samma effekt skulle hända här, det kan betyda att systemet – grafen och STM – härmar en gigantisk molekyl, men säg att de fortfarande inte har en fast teoretisk grund för vad som händer.

Den högrena grafenenheten tillverkades av NIST-forskaren Y. Zhao i Nanofab från Center for Nanoscale Science and Technology. en nationell användarfacilitet tillgänglig för forskare från industrin, akademi och regering.