Gli esperimenti della Rice University hanno dimostrato che la tensione applicata a un foglio di grafene su un substrato a base di silicio può trasformarlo in un otturatore per lunghezze d'onda della luce sia terahertz che infrarosse. La modifica della tensione altera l'energia di Fermi (Ef) del grafene, che controlla la trasmissione o l'assorbimento del raggio. L'energia di Fermi divide la banda di conduzione (CB), che contiene elettroni che assorbono le onde, e la banda di mantovana (VB), che contiene i fori verso i quali fluiscono gli elettroni. Grafica di Lei Ren/Rice University
(Phys.org) -- Una tensione elettrica applicata può indurre una fetta di grafene di un centimetro quadrato a modificare e controllare la trasmissione della radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda dal terahertz al medio infrarosso.
L'esperimento alla Rice University fa progredire la scienza della manipolazione di particolari lunghezze d'onda della luce in modi che potrebbero essere utili nell'elettronica avanzata e nei dispositivi di rilevamento optoelettronici.
Nei lavori precedenti, il laboratorio Rice del fisico Junichiro Kono ha trovato un modo per utilizzare array di nanotubi di carbonio come un polarizzatore terahertz quasi perfetto. Questa volta, il team guidato da Kono sta lavorando a un livello ancora più elementare; i ricercatori stanno cablando un foglio di grafene, la forma di carbonio dello spessore di un atomo, per applicare una tensione elettrica e quindi manipolare quella che è nota come energia di Fermi. Quella, a sua volta, consente al grafene di fungere da setaccio o otturatore per la luce.
La scoperta di Kono e dei suoi colleghi della Rice e dell'Institute of Laser Engineering dell'Università di Osaka è stata riportata online questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .
Nel grafene, “gli elettroni si muovono come fotoni, o luce. È il materiale più veloce per spostare gli elettroni a temperatura ambiente, "disse Kono, professore di ingegneria elettrica e informatica e di fisica e astronomia. Ha notato che molti gruppi hanno studiato le proprietà elettriche esotiche del grafene a frequenze zero o basse.
“Ci sono state previsioni teoriche sulle insolite proprietà terahertz e nel medio infrarosso degli elettroni nel grafene in letteratura, ma quasi nulla era stato fatto sperimentalmente in questa gamma, disse Kono.
Chiave del nuovo lavoro, Egli ha detto, sono le parole "ampia area" e "gated".
"Grande perché infrarossi e terahertz hanno lunghezze d'onda lunghe e sono difficili da mettere a fuoco su una piccola area, disse Kono. “Gated significa semplicemente che abbiamo attaccato degli elettrodi, e applicando una tensione tra gli elettrodi e il substrato (di silicio), possiamo sintonizzare l'energia di Fermi.”
L'energia di Fermi è l'energia del più alto stato quantico occupato di elettroni all'interno di un materiale. In altre parole, definisce una linea che separa gli stati quantistici occupati da elettroni dagli stati vuoti. “A seconda del valore dell'energia Fermi, il grafene può essere di tipo p (positivo) o di tipo n (negativo), ” ha detto.
Effettuare misurazioni precise richiedeva quello che nel mondo nano è considerato un foglio di grafene molto grande, anche se era un po' più piccolo di un francobollo. Il centimetro quadrato di carbonio spesso come un atomo è stato coltivato nel laboratorio del chimico del riso James Tour, un coautore del documento, e gli elettrodi d'oro sono stati attaccati agli angoli.
Alzando o abbassando la tensione applicata si sintonizzava l'energia di Fermi nel foglio di grafene, che a sua volta ha cambiato la densità dei portatori liberi che sono buoni assorbitori di terahertz e onde infrarosse. Ciò ha conferito al foglio di grafene la capacità di assorbire alcuni o tutti i terahertz o le onde infrarosse o di lasciarli passare. Con uno spettrometro, il team ha scoperto che la trasmissione di terahertz ha raggiunto il picco di energia di Fermi vicino allo zero, circa più-30 volt; con più o meno tensione, il grafene è diventato più opaco. Per infrarossi, l'effetto è stato l'opposto, Egli ha detto, poiché l'assorbimento era grande quando l'energia di Fermi era vicina allo zero.
“Questo esperimento è interessante perché ci permette di studiare le proprietà terahertz di base dei portatori liberi con elettroni (forniti dalla tensione di gate) o senza, disse Kono. La ricerca si è estesa all'analisi dei due metodi con cui il grafene assorbe la luce:per assorbimento interbanda (per gli infrarossi) e intrabanda (per i terahertz). Kono e il suo team hanno scoperto che la variazione della lunghezza d'onda della luce contenente sia frequenze terahertz che infrarosse ha consentito una transizione dall'assorbimento dell'una all'altra. "Quando variamo l'energia del fotone, possiamo passare senza problemi dal regime dei terahertz intrabanda all'infrarosso dominato dall'interbanda. Questo ci aiuta a capire la fisica alla base del processo, ” ha detto.
Hanno anche scoperto che la ricottura termica - riscaldamento - del grafene lo pulisce dalle impurità e altera la sua energia di Fermi, Egli ha detto.
Kono ha detto che il suo laboratorio inizierà a costruire dispositivi mentre studia nuovi modi per manipolare la luce, forse combinando il grafene con elementi plasmonici che consentirebbero un grado di controllo più fine.
I coautori del documento includono gli ex studenti laureati della Rice Lei Ren, Jun Yao e Zhengzong Sun; Qi Zhang, studente laureato di riso; i ricercatori post-dottorato di Rice Zheng Yan e Sébastien Nanot; l'ex ricercatore postdottorato di Rice Zhong Jin; e lo studente laureato Ryosuke Kaneko, l'assistente professore Iwao Kawayama e il professor Masayoshi Tonouchi del Laser Engineering Institute, Università di Osaka.
