p Grafeno, uma camada de carbono atomicamente fina através da qual os elétrons podem viajar praticamente desimpedidos, foi extensivamente estudado desde seu primeiro isolamento bem-sucedido, há mais de 15 anos. Entre suas muitas propriedades exclusivas está a capacidade de suportar ondas eletromagnéticas altamente confinadas acopladas a oscilações de carga eletrônica - polaritons de plasmon - que têm aplicações potencialmente amplas em nanotecnologia, incluindo biossensor, informação quântica, e energia solar. p Contudo, a fim de suportar polaritons de plasmon, o grafeno deve ser carregado aplicando uma voltagem a um portão de metal próximo, o que aumenta muito o tamanho e a complexidade dos dispositivos em nanoescala. Os pesquisadores da Universidade de Columbia relatam que alcançaram o grafeno plasmonicamente ativo com densidade de carga recorde sem uma porta externa. Eles conseguiram isso explorando a nova transferência de carga entre camadas com um aceitador de elétrons bidimensional conhecido como α-RuCl3. O estudo já está disponível online como um artigo de acesso aberto e aparecerá na edição de 9 de dezembro da Nano Letters.

p “Este trabalho nos permite usar o grafeno como um material plasmônico sem portas de metal ou fontes de voltagem, tornando possível criar estruturas plasmônicas de grafeno independentes pela primeira vez ", disse o co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering.

p Todos os materiais possuem uma propriedade conhecida como função de trabalho, que quantifica o quão firmemente eles podem segurar os elétrons. Quando dois materiais diferentes são colocados em contato, os elétrons se moverão do material com a função de trabalho menor para o material com a função de trabalho maior, fazendo com que o primeiro fique com carga positiva e o último com carga negativa. Este é o mesmo fenômeno que gera carga estática quando você esfrega um balão no cabelo.

p α-RuCl3 é único entre os nanomateriais porque tem uma função de trabalho excepcionalmente alta, mesmo quando é esfoliado em camadas 2-D de um ou poucos átomos de espessura. Sabendo disso, os pesquisadores de Columbia criaram pilhas em escala atômica consistindo de grafeno em cima de α-RuCl3. Como esperado, elétrons foram removidos do grafeno, tornando-o altamente condutor e capaz de hospedar polaritons de plasmon - sem o uso em uma porta externa.

p Usar α-RuCl3 para carregar grafeno traz duas vantagens principais sobre portas elétricas. α-RuCl3 induz carga muito maior do que pode ser alcançada com portas elétricas, que são limitados pela quebra da barreira isolante com o grafeno. Além disso, o espaçamento entre o grafeno e o eletrodo da porta subjacente confunde a fronteira entre as regiões carregadas e não carregadas devido à "franja do campo elétrico". Isso evita a realização de características de carga nítidas dentro do grafeno e ao longo da borda do grafeno necessárias para manifestar novos fenômenos plasmônicos. Em contraste, na borda do α-RuCl3, a carga no grafeno cai para zero em quase a escala atômica.

p "Uma das nossas principais conquistas neste trabalho é atingir densidades de carga no grafeno aproximadamente 10 vezes maiores do que os limites impostos pela quebra dielétrica em um dispositivo fechado padrão, "disse o líder do estudo, PI Dmitri Basov, professor de física. "Além disso, uma vez que o α-RuCl3 - a fonte de carga eletrônica - está em contato direto com o grafeno, os limites entre as regiões carregadas e não carregadas no grafeno são nítidas. Isso nos permite observar a reflexão de plasmon semelhante a um espelho a partir dessas bordas e criar plasmons de borda unidimensionais historicamente indescritíveis que se propagam ao longo da borda de grafeno. "A equipe também observou limites nítidos em" nanobolhas, "onde contaminantes presos entre as duas camadas interrompem a transferência de carga.

p "Ficamos muito animados em ver como a densidade de carga de grafeno pode mudar abruptamente nesses dispositivos, "disse Daniel Rizzo, um cientista pesquisador de pós-doutorado com Basov e o principal autor do artigo. "Nosso trabalho é uma prova de conceito para o controle de carga nanométrica que antes era o reino da fantasia."

p O trabalho foi realizado no Centro de Pesquisa de Energia e Fronteira em Materiais Quânticos Programáveis, financiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e liderado por Basov. O projeto de pesquisa utilizou instalações compartilhadas operadas pela Columbia Nano Initiative.

p Os pesquisadores agora estão buscando rotas para usar α-RuCl3 gravado como uma plataforma para gerar padrões de carga em nanoescala personalizados em grafeno para ajustar com precisão o comportamento plasmônico de acordo com várias aplicações práticas. Eles também esperam demonstrar que α-RuCl3 pode ser interfaceado com uma ampla gama de materiais 2-D para acessar novos comportamentos de materiais que requerem a densidade de carga excepcionalmente alta transmitida pela transferência de carga entre camadas demonstrada em seu manuscrito.

p Hone notado, "Quando nossa técnica de transferência de carga entre camadas é combinada com procedimentos existentes para padronizar substratos 2-D, podemos facilmente gerar padrões de carga em nanoescala feitos sob medida em grafeno. Isso abre uma grande variedade de novas oportunidades para novos dispositivos eletrônicos e ópticos "