Fysiker från Moskva institutet för fysik och teknik (MIPT) har funnit att grafen kan vara det idealiska materialet för tillverkning av plasmoniska enheter som kan upptäcka explosiva material, giftiga kemikalier, och andra organiska föreningar baserade på en enda molekyl, enligt en artikel publicerad i Fysisk granskning B .

Plasmoner i konstruktion av elektronik och optik med hög noggrannhet

Forskare har länge fascinerats av de potentiella tillämpningarna av en kvasipartikel som kallas plasmon, en kvant av plasmasvängningar. Vid en fast kropp, plasmoner är svängningarna av fria elektroner. Av särskilt intresse är effekterna av elektromagnetiska vågors ytinteraktioner med plasmoner - vanligtvis i samband med metaller eller halvmetaller, eftersom de har en högre fri elektrontäthet. Att utnyttja dessa effekter kan leda till ett genombrott inom elektronik och optik med hög noggrannhet. En möjlighet som öppnas av plasmoniska effekter är ljusfokusering av subvåglängd, vilket ökar plasmoniska anordningars känslighet till en punkt där de kan skilja en enda molekyl. Sådana mätningar är bortom vad alla konventionella (klassiska) optiska enheter kan uppnå. Tyvärr, plasmoner i metaller tenderar att tappa energi snabbt på grund av motstånd, och av denna anledning är de inte självförsörjande, dvs de behöver kontinuerlig excitation. Forskare försöker lösa detta problem genom att använda kompositmaterial med fördefinierad mikrostruktur, inklusive grafen.

Grafen är en allotrop av kol i form av en tvådimensionell kristall. Det kan visualiseras som ett en-atom-tjockt bikakegitter tillverkat av kolatomer. Två MIPT -akademiker, Andre Geim och Konstantin Novoselov, var de första som isolerade grafen, som gav dem ett nobelpris i fysik. Graphene är en halvledare med extremt hög laddningsbärarmobilitet. Dess elektriska konduktivitet är också exceptionellt hög, vilket gör grafenbaserade transistorer möjliga.

Teoretiska fysiker ger okej

Även om plasmoniska enheter är en spännande möjlighet, att dra nytta av dem, Det är först nödvändigt att ta reda på om de är genomförbara. Att göra detta, forskare var tvungna att hitta en numerisk lösning på de relevanta kvantmekaniska ekvationerna. Detta åstadkoms av ett team av forskare vid Laboratory of Nanostructure Spectroscopy under ledning av prof. Yurii Lozovik; de formulerade och löste den nödvändiga ekvationen. Deras forskning har lett dem att utveckla en kvantmodell som förutsäger plasmoniskt beteende i grafen. Som ett resultat, forskarna beskrev driften av en ytplasmonemitterande diod (SPED) och laserns nanoplasmoniska motsvarighet-känd som spasern-vars konstruktion innefattar ett grafenskikt.

En spaser kan beskrivas som en enhet som liknar en laser och fungerar på samma grundläggande princip. Dock, att producera strålning, den förlitar sig på optiska övergångar i förstärkningsmediet, och partiklarna som avges är ytplasmoner, i motsats till fotoner som produceras av en laser. En SPED skiljer sig från en spaser genom att den är en osammanhängande källa till ytplasmoner. Det kräver också betydligt lägre pumpeffekt. Båda enheterna skulle fungera inom det infraröda området i spektrumet, vilket är användbart för att studera biologiska molekyler.

"Grafen -spasern kan användas för att utforma kompakta spektrala mätanordningar som kan detektera även en enda molekyl av ett ämne, vilket är viktigt för många potentiella applikationer. Sådana sensorer kan detektera organiska molekyler baserat på deras karakteristiska vibrationsövergångar ('fingeravtryck'), när det avgivna/absorberade ljuset faller in i det medelstora infraröda området, som är exakt där den grafenbaserade spasern fungerar, säger Alexander Dorofeenko, en av författarna till studien.