Grafeno una capa de carbono atómicamente delgada a través de la cual los electrones pueden viajar prácticamente sin obstáculos, ha sido ampliamente estudiado desde su primer aislamiento exitoso hace más de 15 años. Entre sus muchas propiedades únicas está la capacidad de soportar ondas electromagnéticas altamente confinadas acopladas a oscilaciones de carga electrónica (polaritones de plasmón) que tienen aplicaciones potencialmente amplias en nanotecnología. incluyendo biosensores, información cuántica, y energía solar.

Sin embargo, para soportar polaritones de plasmón, el grafeno debe cargarse aplicando un voltaje a una puerta de metal cercana, lo que aumenta enormemente el tamaño y la complejidad de los dispositivos a nanoescala. Investigadores de la Universidad de Columbia informan que han logrado grafeno plasmónicamente activo con una densidad de carga récord sin una puerta externa. Lo lograron aprovechando la nueva transferencia de carga entre capas con un aceptor de electrones bidimensional conocido como α-RuCl3. El estudio está disponible ahora en línea como un artículo de acceso abierto y aparecerá en la edición del 9 de diciembre de Nano Letras.

"Este trabajo nos permite utilizar el grafeno como material plasmónico sin puertas metálicas o fuentes de voltaje, haciendo posible crear estructuras plasmónicas de grafeno independientes por primera vez ", dijo el co-investigador principal James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering.

Todos los materiales poseen una propiedad conocida como función de trabajo, que cuantifica la fuerza con la que pueden retener los electrones. Cuando dos materiales diferentes entran en contacto, los electrones se moverán del material con la función de trabajo más pequeña al material con la función de trabajo más grande, haciendo que el primero se cargue positivamente y el segundo se cargue negativamente. Este es el mismo fenómeno que genera carga estática cuando frotas un globo contra tu cabello.

El α-RuCl3 es único entre los nanomateriales porque tiene una función de trabajo excepcionalmente alta incluso cuando se exfolia en capas 2-D de uno o pocos átomos de espesor. Sabiendo esto Los investigadores de Columbia crearon pilas a escala atómica que consistían en grafeno sobre α-RuCl3. Como se esperaba, se eliminaron electrones del grafeno, haciéndolo altamente conductivo y capaz de albergar polaritones de plasmón, sin el uso en una puerta externa.

El uso de α-RuCl3 para cargar grafeno aporta dos ventajas principales sobre la compuerta eléctrica. α-RuCl3 induce una carga mucho mayor que la que se puede lograr con puertas eléctricas, que están limitados por la ruptura de la barrera aislante con el grafeno. Además, el espacio entre el grafeno y el electrodo de puerta subyacente difumina el límite entre las regiones cargadas y no cargadas debido a la "franja del campo eléctrico". Esto evita la realización de características de carga aguda dentro del grafeno y a lo largo del borde del grafeno necesario para manifestar nuevos fenómenos plasmónicos. A diferencia de, en el borde del α-RuCl3, la carga en el grafeno cae a cero casi en la escala atómica.

"Uno de nuestros mayores logros en este trabajo es lograr densidades de carga en el grafeno aproximadamente 10 veces mayores que los límites impuestos por la ruptura dieléctrica en un dispositivo con compuerta estándar, "dijo el investigador principal principal del estudio, Dmitri Basov, profesor de física. "Es más, dado que el α-RuCl3, la fuente de carga electrónica, está en contacto directo con el grafeno, los límites entre las regiones cargadas y no cargadas en el grafeno son nítidos. Esto nos permite observar reflejos de plasmones similares a espejos desde estos bordes y crear plasmones de borde unidimensionales históricamente esquivos que se propagan a lo largo del borde de grafeno ". El equipo también observó límites definidos en" nanoburbujas, "donde los contaminantes atrapados entre las dos capas interrumpen la transferencia de carga.

"Estábamos muy emocionados de ver cuán abruptamente puede cambiar la densidad de carga del grafeno en estos dispositivos, "dijo Daniel Rizzo, un científico investigador postdoctoral con Basov y el autor principal del artículo. "Nuestro trabajo es una prueba de concepto para el control de cargas nanométricas que anteriormente era el reino de la fantasía".

El trabajo se llevó a cabo en el Centro de Investigación de Energía y Fronteras sobre Materiales Cuánticos Programables financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos y dirigido por Basov. El proyecto de investigación utilizó instalaciones compartidas operadas por Columbia Nano Initiative.

Los investigadores ahora están siguiendo rutas para usar α-RuCl3 grabado como una plataforma para generar patrones de carga a nanoescala personalizados en grafeno para ajustar con precisión el comportamiento plasmónico de acuerdo con varias aplicaciones prácticas. También esperan demostrar que α-RuCl3 puede interactuar con una amplia gama de materiales 2-D para acceder a nuevos comportamientos de materiales que requieren la densidad de carga excepcionalmente alta impartida por la transferencia de carga entre capas demostrada en su manuscrito.

Hone señaló, "Cuando nuestra técnica de transferencia de carga entre capas se combina con los procedimientos existentes para modelar sustratos 2-D, podemos generar fácilmente patrones de carga a nanoescala hechos a medida en grafeno. Esto abre una gran cantidad de nuevas oportunidades para nuevos dispositivos electrónicos y ópticos "