15年前首次成功隔離以來，石墨烯是一種原子薄的碳層，電子幾乎可以不受阻礙地穿過該碳層行進。它具有許多獨特的特性，能夠支持與電子電荷振蕩(等離激元極化子)耦合的高度局限的電磁波，這些電荷在納米技術中具有廣泛的應用前景，包括生物傳感，量子信息和太陽能。

然而，為了支持等離激元極化子，必須通過向附近的金屬柵極施加電壓來對石墨烯進行充電，這大大增加了納米級器件的尺寸和復雜性。哥倫比亞大學的研究人員報告說，他們已經(jīng)在沒有外部柵極的情況下獲得了具有創(chuàng)紀錄的高電荷密度的具有等離子體活性的石墨烯。他們通過利用稱為α-RuCl3的二維電子受體進行新型層間電荷轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)這一目標。這項研究現(xiàn)在可以作為開放獲取的文章在線獲得，并將出現(xiàn)在12月9日的Nano Letters中。

“這項工作使我們能夠在沒有金屬柵極或電壓源的情況下將石墨烯用作等離子材料，這使首次創(chuàng)建獨立的石墨烯等離子結(jié)構(gòu)成為可能。”機械工程學教授王鳳仁教授在哥倫比亞工程公司。

所有材料都具有稱為功函數(shù)的特性，該函數(shù)可以量化它們對電子的保持力。當兩種不同的材料接觸時，電子將從具有較小功函數(shù)的材料移動到具有較大功函數(shù)的材料，從而使前者帶正電，而后者帶負電。這與在氣球上擦頭發(fā)時會產(chǎn)生靜電荷的現(xiàn)象相同。

α-RuCl3在納米材料中是獨特的，因為即使剝落至一層或幾原子厚的二維層，它也具有極高的功函。知道了這一點，哥倫比亞研究人員在α-RuCl3頂部創(chuàng)建了由石墨烯組成的原子級堆棧。正如預期的那樣，電子從石墨烯中去除，使其具有高導電性，并能夠容納等離激元極化子，而無需在外部柵極上使用。

與電門控相比，使用α-RuCl3給石墨烯充電帶來兩個主要優(yōu)點。α-RuCl3所感應的電荷要比電門所能產(chǎn)生的電荷大得多，而電門卻受到絕緣層和石墨烯擊穿的限制。另外，由于“電場條紋”，石墨烯和下面的柵電極之間的間隔使帶電和不帶電區(qū)域之間的邊界模糊。這阻止了在石墨烯內(nèi)以及沿著石墨烯邊緣實現(xiàn)鋒利的電荷特征，而鋒利的電荷特征是表現(xiàn)出新的等離子體現(xiàn)象所必需的。相反，在α-RuCl3的邊緣，石墨烯中的電荷幾乎在原子尺度上降至零。