Físicos revelam como camadas e torções afetam a condutividade óptica do grafeno

Quando se trata de nanomateriais eletricamente condutivos, o grafeno – mais forte e mais leve que o aço e mais condutivo que o cobre – tem se mostrado uma excelente escolha para uma ampla gama de tecnologias.

Os físicos estão trabalhando para aprender mais sobre esta forma impressionante de carbono elementar que ocorre naturalmente, que é composto por uma única camada plana de átomos de carbono dispostos em uma ordem repetitiva. treliça hexagonal.

Agora, pesquisadores do Departamento de Física da Universidade Estadual da Flórida e do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, sediado na FSU, publicaram descobertas que revelam como várias manipulações físicas do grafeno, como camadas e torções, impactam seu propriedades ópticas e condutividade. O estudo é publicado no diário Nano-letras.

A equipe, liderada pelo professor assistente Guangxin Ni, juntamente com o professor assistente Cyprian Lewandowski e o assistente de pesquisa de pós-graduação Ty Wilson, descobriram que a condutividade do torcido grafeno bicamada não é fortemente impactado por manipulações físicas ou químicas e, em vez disso, depende mais de como a minúscula estrutura geométrica do materials muda pela torção intercamadas – uma revelação que abre a porta para estudos adicionais sobre como temperaturas e frequências mais baixas afetam as propriedades do grafeno.

“Este caminho específico de pesquisa começou como uma tentativa de explicar algumas das propriedades ópticas do grafeno de bicamada torcida, já que este materials já foi fotografado com microscópios ópticos de campo próximo antes, mas não de uma forma que comparasse diferentes ângulos de torção”, Wilson disse. “Queríamos examinar este materials sob essa perspectiva.”

Para conduzir o estudo, a equipe capturou imagens de plasmons – pequenas ondas de energia que ocorrem quando os elétrons de um materials se movem juntos – que apareceram em várias regiões da bicamada torcida de grafeno.

“O microscópio óptico de varredura de campo próximo essencialmente emite um certo comprimento de onda de luz infravermelha sobre a amostra, e o luz dispersa é coletado de volta para formar uma imagem em nanoescala que está muito abaixo do limite de difração, “Wilson disse.” A chave aqui é que envolve uma agulha que aumenta substancialmente o acoplamento luz-matéria, permitindo-nos ver esses plasmons usando nano-luz. “

A equipe analisou o limites de grãoou defeitos no estrutura cristalinanas imagens resultantes para identificar diferentes regiões do grafeno de bicamada torcida. Essas regiões contendo os plasmons despertaram o interesse da equipe porque as duas folhas de átomos de carbono foram torcidas em ângulos discretos em cada uma, além de serem torcidas em relação a uma camada de nitreto de boro hexagonal – um cristal transparente em camadas – colocada embaixo.

Os físicos referem-se ao desenho geométrico que resulta quando um conjunto de linhas retas ou curvas é sobreposto a outro conjunto como um padrão moiré, derivado de uma palavra francesa para “regado”. A torção da bicamada de grafeno e nitreto de boro resultou na formação do que é conhecido como estrutura dupla moiré, duas camadas de padrões, também conhecida como superrede.

“O plano period comparar o sinal de campo próximo refletido que obtivemos para cada domínio, enquanto a maioria das pesquisas anteriores sobre o grafeno olhava apenas para um único ângulo de torção, e nunca antes com esses sistemas ‘moiré de moiré'”, disse Wilson.

A equipe descobriu que a condutividade óptica do grafeno de dupla camada torcida com nitreto de boro não varia muito com o ângulo de torção para ângulos inferiores a dois graus, mesmo quando o grafeno é dopado eletricamente e exposto a mudanças de frequências de luz infravermelha.

“O que isso nos diz é que as propriedades optoeletrônicas deste materials super-moiré são independentes da dopagem química ou do ângulo de torção da bicamada torcida do grafeno e, em vez disso, dependem mais da própria estrutura do super-moiré e de como ela afeta as bandas eletrônicas no materials, permitindo maior condutividade óptica”, disse Wilson.

Lewandowski acrescentou que este resultado é emocionante porque destaca o potencial dos sistemas moiré multicamadas na construção de materiais com propriedades ópticas “sob demanda”.

“O técnica de medição usado pelo grupo do professor Ni nos permite sondar a resposta óptica native de sistemas 2D, complementando outras técnicas de medição native comumente usadas para materiais 2D”, disse ele. “Curiosamente, em conjunto com a modelagem teórica que o acompanha, a medição relatada argumenta como um sistema 2D pode alcançar uma resposta óptica quase uniforme em uma ampla faixa de frequência de luz passivamente, sem a necessidade de suggestions eletrônico ativo.”

As descobertas da equipe indicam o impacto significativo dos relaxamentos geométricos em redes duplo-moiré, o que ajuda os pesquisadores a entender melhor como nanomateriais como o grafeno podem responder a diferentes manipulações. Por sua vez, esta informação pode ser usada para ajudar os cientistas a produzir propriedades ópticas desejáveis ​​– como condutividade melhorada – num materials, permitindo avanços inovadores na optoelectrónica moiré, incluindo tecnologias de imagem térmica e comutação óptica em processadores de computador.

“Isso abre caminho para nossa exploração contínua de vários fenômenos nano-ópticos e eletrônicos que são inatingíveis com óptica alternativa de campo distante limitada por difração”, disse Ni.