石墨烯是一种原子级薄的碳层，电子可以通过它几乎不受阻碍地穿过，自从 15 多年前首次成功分离以来，已经对其进行了广泛的研究。它的许多独特特性之一是能够支持与电荷振荡(等离子体激元)耦合的高度受限的电磁波，这些电磁波在纳米技术中具有潜在的广泛应用，包括生物传感、量子信息和太阳能。

然而，为了支持等离子体激元，石墨烯必须通过向附近的金属栅极施加电压来充电，这大大增加了纳米级器件的尺寸和复杂性。哥伦比亚大学的研究人员报告说，他们在没有外栅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。他们通过利用称为 α-RuCl3 的二维电子受体利用新型层间电荷转移来实现这一点。该研究现已作为开放获取文章在线提供，并将出现在 12 月 9 日的Nano Letters 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，从而有可能首次创建独立的石墨烯等离子体结构”，联合 PI James Hone 说，机械工程教授 Wang Fong-Jen在哥伦比亚工程。

所有材料都具有一种称为功函数的特性，它量化了它们与电子的紧密程度。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，后者带负电。这与将气球摩擦头发时产生静电荷的现象相同。

α-RuCl3 在纳米材料中是独一无二的，因为它具有极高的功函数，即使它被剥离成一个或几个原子厚的二维层。知道这一点后，哥伦比亚大学的研究人员在 α-RuCl3 顶部创建了由石墨烯组成的原子级堆栈。正如预期的那样，从石墨烯中去除了电子，使其具有高导电性并能够承载等离子体激元——而无需在外栅极上使用。

与电门控相比，使用 α-RuCl3 为石墨烯充电具有两个主要优势。α-RuCl3 产生的电荷比电门所能达到的要大得多，电门受到石墨烯绝缘屏障击穿的限制。此外，由于“电场边缘”，石墨烯和下面的栅电极之间的间距模糊了带电和不带电区域之间的边界。这阻止了在石墨烯内和沿着石墨烯边缘实现显着新等离子体现象所必需的尖锐电荷特征。相比之下，在 α-RuCl3 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门控器件中介电击穿所施加的限制的 10 倍，”该研究的负责人、物理学教授 PI Dmitri Basov 说。“此外，由于 α-RuCl3——电荷源——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清晰。这使我们能够观察到镜面等离子反射从这些边缘并创建历史上难以捉摸的一维边缘等离子体，沿着石墨烯边缘传播。” 该团队还观察到“纳米气泡”的明显边界，两层之间的污染物会破坏电荷转移。

“我们很高兴看到石墨烯电荷密度在这些设备中的变化是多么突然，”巴索夫的博士后研究科学家、该论文的第一作者 Daniel Rizzo 说。“我们的工作是纳米电荷控制的概念验证，以前是幻想的领域。”

这项工作是在能源部资助、巴索夫领导的可编程量子材料能源与前沿研究中心进行的。该研究项目使用了由哥伦比亚纳米计划运营的共享设施。

研究人员现在正在寻求使用蚀刻的 α-RuCl3 作为平台在石墨烯中生成自定义纳米级电荷模式的途径，以根据各种实际应用精确调整等离子体行为。他们还希望证明 α-RuCl3 可以与范围广泛的二维材料连接，以获取新的材料行为，这些行为需要他们手稿中展示的层间电荷转移赋予的极高电荷密度。

Hone 指出，“当我们的层间电荷转移技术与现有的二维基板图案化程序相结合时，我们可以轻松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机会”