哥伦比亚大学工程和应用科学学院 石墨烯中大量逸出功介导的电荷转移/？-三氯化钌异质结构为在没有静电或化学掺杂的情况下产生等离子激元提供了必要的条件
该图像描绘了这种异质结构的特征红外近场图像，揭示了源于界面石墨烯/α-RuCl3层的基本相互掺杂的大量等离子体振荡
信用:丹尼尔J
里佐/哥伦比亚大学 石墨烯是一种原子级的薄碳层，电子可以不受阻碍地穿过它，自从15年前第一次成功分离以来，石墨烯已经得到了广泛的研究
它有许多独特的性质，其中之一是能够支持与电子电荷振荡(等离子体激元极化子)耦合的高度受限的电磁波，这在纳米技术中有着潜在的广泛应用，包括生物传感、量子信息和太阳能
然而，为了支持等离子激元，石墨烯必须通过向附近的金属栅极施加电压来充电，这大大增加了纳米器件的尺寸和复杂性
哥伦比亚大学的研究人员报告说，他们已经在没有外部栅极的情况下获得了具有创纪录高电荷密度的等离子体活性石墨烯
他们通过利用一种新的层间电荷转移来实现这一点，这种电荷转移利用了一种被称为α-RuCl3的二维电子受体
这项研究现在可以在网上以开放获取的方式获得，并将发表在12月9日的《纳米快报》上
“这项工作使我们能够在没有金属栅极或电压源的情况下使用石墨烯作为等离子体材料，这使得首次创建独立的石墨烯等离子体结构成为可能，”哥伦比亚工程大学机械工程教授王芳仁说
所有的材料都具有一种被称为功函数的特性，这种特性量化了它们能紧紧抓住电子的程度
当两种不同的材料接触时，电子将从功函数较小的材料移动到功函数较大的材料，导致前者带正电荷，后者带负电荷
当你用气球摩擦头发时，同样的现象也会产生静电
α-三氯化钌在纳米材料中是独一无二的，因为它具有极高的功函数，甚至当它剥落到一个或几个原子厚的二维层时也是如此
知道了这一点，哥伦比亚大学的研究人员在α-三氯化钌上创建了由石墨烯组成的原子级堆栈
正如所料，电子从石墨烯中被移除，使其具有高导电性，能够容纳等离子体激元，而无需使用外部栅极
使用α-三氯化钌给石墨烯充电比电门控有两个主要优势
α-三氯化钌比用电栅极所能获得的感应电荷大得多，电栅极受到石墨烯击穿绝缘势垒的限制
此外，石墨烯和下面的栅电极之间的间距由于“电场边缘”而模糊了带电和非带电区域之间的边界
这阻碍了石墨烯内部以及沿着石墨烯边缘的尖锐电荷特征的实现，而这是展现新的等离子体现象所必需的
相比之下，在α-三氯化钌的边缘，石墨烯中的电荷几乎在原子尺度上降至零
“我们在这项工作中的主要成就之一是在石墨烯中获得的电荷密度大约是标准栅控器件中电介质bre akdown所施加的限制的10倍，”该研究的负责人、物理学教授皮·德米特里·巴索夫说
“此外，由于α-三氯化钌——电子电荷的来源——与石墨烯直接接触，石墨烯中带电和不带电区域之间的边界非常尖锐
这使我们能够观察到这些边缘的镜面等离子体反射，并产生历史上难以捉摸的沿石墨烯边缘传播的一维边缘等离子体
研究小组还观察到了“纳米气泡”的尖锐边界，两层之间的污染物破坏了电荷转移
“我们非常兴奋地看到石墨烯电荷密度在这些器件中会发生如此突然的变化，”丹尼尔·里佐说，他是巴索夫的博士后研究科学家，也是这篇论文的主要作者
“我们的工作是纳米电荷控制概念的证明，这在以前是幻想的领域
" 这项工作是在由美国能源部资助、巴索夫领导的可编程量子材料能源和前沿研究中心进行的
该研究项目使用了由哥伦比亚纳米倡议运营的共享设施
研究人员现在正在寻找途径，使用蚀刻的α-三氯化钌作为平台，在石墨烯中产生定制的纳米级电荷图案，以根据各种实际应用精确测量等离子体行为
他们还希望证明α-三氯化钌可以与各种二维材料相结合，以获得新的材料行为，这些行为需要由他们的手稿中证明的层间电荷转移所赋予的异常高的电荷密度
霍恩指出，“当我们的层间电荷转移技术与现有的二维衬底图案化程序相结合时，我们可以很容易地在石墨烯中生成定制的纳米级电荷图案
这为新的电子和光学设备开辟了大量新的机会”
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