|
美國、德國、新加坡和西班牙研究人員最近研發出一種幫石墨烯(graphene)晶界缺陷(grain boundary defects)造影的新方法。他們分析這些缺陷如何反射與散射表面電漿子，結果發現這些晶界的作用就如同大小約10-20 nm的電子能障，這點能用來解釋化學氣相沉積(CVD)製成的石墨烯為何有較低的電子遷移率。這能障可望應用在未來石墨烯電漿子電路中，作為電漿子反射器及相位延遲器之用。
石墨烯為具有蜂巢狀晶格結構的單原子厚平面碳材料，由於具有極高的導電率及絕佳的強度，未來可望作為製作分子電子元件的理想材料。零缺陷的石墨烯具有最佳的機械與電子性質，但目前生產大面積石墨烯的製程方法卻無法避免晶界缺陷的生成。這類缺陷就像是拼布被單上的縫合處，不只很難用一般顯微術如穿透式電子顯微鏡或光學顯微鏡加以研究，這些技術甚至會破壞樣本。
上述的奈米成像新技術是由加州大學聖地牙哥分校的Dimitri Basov為首的國際團隊所共同研發。他們利用原子力顯微鏡的金屬探針做為奈米天線，以紅外光激發，在石墨烯表面上產生表面電漿子波(surface plasmon wave)，即電子的同調振盪(coherent oscillation)。電漿子波經石墨烯晶界反射及散射後產生干涉，研究人員紀錄並分析這些干涉圖案便能描繪出大面積CVD石墨烯的晶界，同時還能探究個別晶界的電子與光學性質。
分析結果顯示，這些CVD石墨烯的晶界屬於帶電線缺陷(charged line defect)，會阻礙電荷的傳輸及電漿子的傳遞，這點解釋了電子在CVD石墨烯中的運動速度較慢的原因。這類能障或許能應用於未來的石墨烯電漿子電路，作為電漿子反射器及相位延遲器等必要元件。電漿子反射器用來改變材料中電漿子的行進路徑，相位延遲器可造成電漿子波的相位延遲，作用分別類似光學中的分光鏡(beam slitter)及波片(waveplate)。
此奈米成像技術也可望應用於分析其他具電漿子波的材料，譬如超導體或拓撲絕緣體。甚至用來研究介電材料中的表面聲子波(surface phonon wave，即晶體晶格的振動)。由於晶界的電子性質與其原子結構有重要關聯，該研究團隊計畫將此技術與掃描穿隧式顯微鏡(STM)等原子級觀測工具結合，以期更瞭解結構與缺陷性質之間的確切關係。詳見Nature Nanotechnology ｜ doi:10.1038/nnano.2013.197。 |