Grafene, uno strato di carbonio atomicamente sottile attraverso il quale gli elettroni possono viaggiare praticamente senza ostacoli, è stato ampiamente studiato sin dal suo primo isolamento di successo più di 15 anni fa. Tra le sue molte proprietà uniche c'è la capacità di supportare onde elettromagnetiche altamente confinate accoppiate a oscillazioni di carica elettronica - polaritoni plasmonici - che hanno applicazioni potenzialmente ampie nella nanotecnologia, compreso il biorilevamento, informazioni quantistiche, ed energia solare.

Però, per supportare i polaritoni plasmonici, il grafene deve essere caricato applicando una tensione a un vicino cancello metallico, che aumenta notevolmente le dimensioni e la complessità dei dispositivi su scala nanometrica. I ricercatori della Columbia University riferiscono di aver ottenuto un grafene plasmonicamente attivo con una densità di carica record senza un cancello esterno. Hanno realizzato questo sfruttando un nuovo trasferimento di carica interstrato con un accettore di elettroni bidimensionale noto come α-RuCl3. Lo studio è ora disponibile online come articolo ad accesso aperto e apparirà nel numero del 9 dicembre di Nano lettere.

"Questo lavoro ci consente di utilizzare il grafene come materiale plasmonico senza porte metalliche o fonti di tensione, rendendo possibile per la prima volta creare strutture plasmoniche di grafene autonome", ha affermato il co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professore di ingegneria meccanica presso la Columbia Engineering.

Tutti i materiali possiedono una proprietà nota come funzione di lavoro, che quantifica quanto saldamente possono trattenere gli elettroni. Quando due materiali diversi vengono messi in contatto, gli elettroni si sposteranno dal materiale con la funzione di lavoro più piccola al materiale con la funzione di lavoro più grande, facendo sì che il primo si carichi positivamente e il secondo si carichi negativamente. Questo è lo stesso fenomeno che genera carica statica quando si strofina un palloncino contro i capelli.

α-RuCl3 è unico tra i nanomateriali perché ha una funzione di lavoro eccezionalmente elevata anche quando viene esfoliato fino a strati 2-D dello spessore di uno o pochi atomi. Sapendo questo, i ricercatori della Columbia hanno creato stack su scala atomica costituiti da grafene sopra α-RuCl3. Come previsto, gli elettroni sono stati rimossi dal grafene, rendendolo altamente conduttivo e in grado di ospitare polaritoni plasmonici, senza l'uso su un cancello esterno.

L'uso di α-RuCl3 per caricare il grafene offre due vantaggi principali rispetto al gating elettrico. α-RuCl3 induce una carica molto maggiore di quella che si può ottenere con le porte elettriche, che sono limitati dalla rottura della barriera isolante con il grafene. Inoltre, la spaziatura tra il grafene e l'elettrodo di gate sottostante offusca il confine tra le regioni cariche e non cariche a causa del "frange del campo elettrico". Ciò impedisce la realizzazione di caratteristiche di carica netta all'interno del grafene e lungo il bordo del grafene necessarie per manifestare nuovi fenomeni plasmonici. In contrasto, al bordo dell'α-RuCl3, la carica nel grafene scende a zero quasi su scala atomica.

"Uno dei nostri principali risultati in questo lavoro è il raggiungimento di densità di carica nel grafene circa 10 volte maggiori dei limiti imposti dalla rottura dielettrica in un dispositivo gated standard, " ha detto il capo dello studio PI Dmitri Basov, professore di fisica. "Inoltre, poiché l'α-RuCl3, la fonte di carica elettronica, è a diretto contatto con il grafene, i confini tra le regioni cariche e non cariche nel grafene sono nitidissime. Questo ci consente di osservare la riflessione plasmonica simile a uno specchio da questi bordi e di creare plasmoni di bordo unidimensionali storicamente sfuggenti che si propagano lungo il bordo del grafene". " dove i contaminanti intrappolati tra i due strati interrompono il trasferimento di carica.

"Siamo stati molto entusiasti di vedere quanto bruscamente la densità di carica del grafene può cambiare in questi dispositivi, " ha detto Daniele Rizzo, un ricercatore post-dottorato con Basov e l'autore principale dell'articolo. "Il nostro lavoro è una prova del concetto per il controllo della carica nanometrica che in precedenza era il regno della fantasia".

Il lavoro è stato svolto nell'Energy and Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e guidato da Basov. Il progetto di ricerca ha utilizzato strutture condivise gestite dalla Columbia Nano Initiative.

I ricercatori stanno ora perseguendo percorsi per utilizzare l'α-RuCl3 inciso come piattaforma per generare modelli di carica personalizzati su nanoscala nel grafene per regolare con precisione il comportamento plasmonico in base a varie applicazioni pratiche. Sperano anche di dimostrare che α-RuCl3 può essere interfacciato con un'ampia gamma di materiali 2-D per accedere a nuovi comportamenti dei materiali che richiedono la densità di carica eccezionalmente elevata impartita dal trasferimento di carica interstrato dimostrato nel loro manoscritto.

Hono notato, "Quando la nostra tecnica di trasferimento di carica interstrato viene combinata con le procedure esistenti per modellare i substrati 2-D, possiamo facilmente generare modelli di carica su scala nanometrica su misura nel grafene. Questo apre una ricchezza di nuove opportunità per nuovi dispositivi elettronici e ottici"