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检测石墨烯晶格振动的新方法
发布:kittyll   时间:2015/7/17 15:20:51   阅读:3277 
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由国家标准与技术研究院(NIST)纳米科技中心的科学家领导的一个国际研究小组已经开发出了一种测量石墨烯中晶格振动的新方法。理解这些振动是掌控基于石墨烯的未来技术的关键一步,石墨烯是一种单原子层的碳。

他们于2015年6月19日在《物理评论快报》杂志上发表了他们的发现。

石墨烯薄片中的碳原子以一种类似于蜂窝状的晶格规则地重复排列——一种二维晶体。和其它的晶体一样,当施加足够的热量或者其它能量时,连接原子之间的力会引起原子的振动以及在整个材料内传递能量,这类似于演奏小提琴时,小提琴琴弦的共振贯通整个小提琴。

就像每一个小提琴都有自己的特性一样,任何一种材料都有一种独特的振动频率。这种共振具有太赫兹(每秒振荡一万亿次)范围的频率,被称作声子。

理解声子的相互作用会给予我们关于如何在材料内部输入、移出或者转移能量的启示。特别地,找到有效地去除热量的方法对于电子器件的继续小型化是至关重要的。

检测这些微小振动的方法之一,是检测从材料反弹回的电子和检测这些电子有多少能量转移到振动的原子之中。但这很困难。非弹性电子隧穿谱技术只能得到一个小波动,因此很难从嘈杂的干扰中挑选出来。

“研究人员经常要去找到检测越来越小的信号的方法,”NIST的研究人员 Fabian Natterer说,“我们使用信号本身具有的明显区别来抑制干扰和捕捉小信号。”

和小提琴在最轻的触碰下发出声音不同,根据Natterer,声子有一个特征的阀值能量。那意味着除非它们获得适量的能量,否则不会振动,比如扫描隧道显微镜(STM)中电子所提供的能量。
 
 

 
来自于扫描隧道显微镜针尖的隧穿电子激发了石墨烯中的声子。图片显示了以蓝色箭头表示的石墨烯晶格中碳原子的运动方向:趋向于石墨烯低能声子模式之一。图片来源:Wyrick/NIST

为了从其它的干扰中过滤出声子的信号,NIST的研究人员使用他们的STM来系统地改变穿过他们的石墨烯设备的电子数量。当电子的数量改变时,不想要的信号的能量也发生改变,但声子依然保持着它们的特征频率。不同电子浓度的平均信号稀释了这些嘈杂的干扰,但是加强了声子的信号。

该研究小组能够用这种方法绘制出所有石墨烯声子的图像,而且他们的发现很好地符合了他们在佐治亚理工学院合作者的理论预测。

根据NIST的研究员Joe Stroscio ,学习筛选声子信号能够使他们观察到一种独特的和令人惊讶的行为。

“当我们将石墨烯的电荷载流子从空穴转换为电子——从正电荷到负电荷——的时候,声子信号强度急剧下降,” Stroscio 说。“这种最初使声子信号增强,然后引起它们下降的迹象是回音壁模式,当我们从空穴转换为电子掺杂的时候,这变得充满电子和阻止来自于振动的声子。”

研究小组指出这种效应类似于小分子中的诱导共振效应。他们怀疑在此发生的是否是相同的效应,它可能意味着该系统——石墨烯和STM——就像一个模拟的大分子,但是也说明他们依然没有一个严格的理论基础来解释发生了什么。

NIST纳米科技中心的纳米制造中心的Y. Zhao制造了高纯石墨烯装置,此制造中心是一个来自行业界、学术界和政府的研究人员可用的全国用户设施。

译自azonano
来源:材料与测试
译者:天使之翼

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