I difetti a livello atomico nel grafene potrebbero essere un percorso verso dispositivi elettronici più piccoli e più veloci, secondo uno studio condotto da ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy.

Con proprietà uniche e potenziali applicazioni in aree dall'elettronica ai biodispositivi, grafene, che consiste in un unico foglio di atomi di carbonio, è stato salutato come una stella nascente nel mondo dei materiali. Ora, uno studio ORNL pubblicato in Nanotecnologia della natura suggerisce che punti difettosi, composto da atomi di silicio che sostituiscono i singoli atomi di carbonio nel grafene, potrebbe aiutare i tentativi di trasferire dati su scala atomica accoppiando la luce con gli elettroni.

"In questo esperimento di dimostrazione del concetto, abbiamo dimostrato che un minuscolo filo formato da una coppia di singoli atomi di silicio nel grafene può essere utilizzato per convertire la luce in un segnale elettronico, trasmettere il segnale e quindi riconvertire il segnale in luce, " ha detto il coautore Juan-Carlos Idrobo, che detiene un incarico congiunto presso l'ORNL e la Vanderbilt University.

Un team guidato dall'ORNL ha scoperto questo nuovo comportamento utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione per visualizzare la risposta del plasmone, o segnali di tipo ottico, dei punti difettosi. L'analisi del team ha scoperto che gli atomi di silicio si comportano come antenne di dimensioni atomiche, migliorare la risposta plasmonica superficiale locale del grafene, e la creazione di un prototipo di dispositivo plasmonico.

"L'idea con i dispositivi plasmonici è che possono convertire i segnali ottici in segnali elettronici, " disse Idrobo. "Così potresti fare fili davvero minuscoli, metti la luce in un lato del filo, e quel segnale sarà trasformato in eccitazioni elettroniche collettive note come plasmoni. I plasmoni trasmetteranno il segnale attraverso il filo, esci dall'altra parte e sii riconvertito alla luce."

Sebbene siano stati dimostrati altri dispositivi plasmonici, la precedente ricerca sui plasmoni di superficie si è concentrata principalmente sui metalli, che ha limitato la scala alla quale avviene il trasferimento del segnale.

"Quando i ricercatori usano il metallo per i dispositivi plasmonici, di solito possono scendere solo a 5 - 7 nanometri, ", ha detto il coautore Wu Zhou. "Ma quando vuoi rendere le cose più piccole, vuoi sempre conoscere il limite. Nessuno pensava che potessimo scendere al livello di un singolo atomo".

L'analisi approfondita a livello di un singolo atomo è stata resa possibile grazie all'accesso del team a un microscopio elettronico che fa parte della struttura per gli utenti di Shared Research Equipment (ShaRE) dell'ORNL.

"È uno dei pochi microscopi elettronici al mondo che possiamo usare per guardare e studiare materiali e ottenere cristallografia, chimica, legame, proprietà ottiche e plasmoniche su scala atomica con sensibilità al singolo atomo e a bassi voltaggi, " ha detto Idrobo. "Questo è un microscopio ideale per le persone che vogliono ricercare materiali a base di carbonio, come il grafene."

Oltre alle sue osservazioni microscopiche, il team ORNL ha utilizzato calcoli teorici dei primi principi per confermare la stabilità dei difetti puntuali osservati. Il documento completo, intitolato "Miglioramento plasmonico localizzato atomicamente nel grafene monostrato, " è disponibile online qui:http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.252.html.