(Phys.org)—I ricercatori della Rice University stanno drogando il grafene con la luce in un modo che potrebbe portare a una progettazione e produzione più efficienti di componenti elettronici, così come nuovi dispositivi di sicurezza e crittografia.

I produttori drogano chimicamente il silicio per regolare le sue proprietà di semiconduttore. Ma la svolta riportata sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano dettaglia un nuovo concetto:doping del grafene indotto da plasmoni, l'ultraforte, altamente conduttivo, forma di carbonio spessa un solo atomo.

Ciò potrebbe facilitare la creazione istantanea di circuiti – elettronica indotta otticamente – su grafene modellato con antenne plasmoniche in grado di manipolare la luce e iniettare elettroni nel materiale per influenzarne la conduttività.

La ricerca incorpora sia lavori teorici che sperimentali per mostrare il potenziale per rendere semplici, diodi e transistor a base di grafene su richiesta. Il lavoro è stato svolto dagli scienziati di Rice Naomi Halas, Stanley C. Moore Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, professore di ingegneria biomedica, chimica, fisica e astronomia e direttore del Laboratorio di Nanofotonica; e Peter Nordlander, professore di fisica e astronomia e di ingegneria elettrica e informatica; fisico Frank Koppens dell'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona, Spagna; l'autore principale Zheyu Fang, un ricercatore post-dottorato alla Rice; e i loro colleghi.

"Una delle principali giustificazioni per la ricerca sul grafene è sempre stata l'elettronica, " ha detto Nordlander. "Le persone che conoscono il silicio capiscono che l'elettronica è possibile solo perché può essere drogata con p e n (positiva e negativa), e stiamo imparando come questo può essere fatto sul grafene.

"Il doping del grafene è un parametro chiave nello sviluppo dell'elettronica del grafene, " ha detto. "Non è possibile acquistare dispositivi elettronici a base di grafene ora, ma non c'è dubbio che i produttori si stanno impegnando molto a causa della sua potenziale alta velocità".

I ricercatori hanno studiato molte strategie per dopare il grafene, compreso il fissaggio di molecole organiche o metalliche al suo reticolo esagonale. Renderlo selettivamente – e reversibilmente – suscettibile di doping sarebbe come avere una lavagna di grafene su cui si possono scrivere e cancellare circuiti a piacimento, a seconda dei colori, angoli o polarizzazione della luce che lo colpisce.

La capacità di collegare nanoantenne plasmoniche al grafene offre proprio questa possibilità. Halas e Nordlander hanno una notevole esperienza nella manipolazione delle quasiparticelle note come plasmoni, che può essere spinto ad oscillare sulla superficie di un metallo. In lavori precedenti, sono riusciti a depositare nanoparticelle plasmoniche che fungono da fotorivelatori sul grafene.

Queste particelle metalliche non riflettono tanto la luce quanto reindirizzano la sua energia; i plasmoni che scorrono in onde attraverso la superficie quando eccitati emettono luce o possono creare "elettroni caldi" in particolare, lunghezze d'onda controllabili. Le particelle plasmoniche adiacenti possono interagire tra loro in modi anch'essi sintonizzabili.

Questo effetto può essere facilmente visto nei grafici della risonanza Fano del materiale, dove le antenne plasmoniche chiamate nonameri, ciascuno di poco più di 300 nanometri di diametro, diffondono chiaramente la luce da una sorgente laser tranne che alla specifica lunghezza d'onda su cui sono sintonizzate le antenne. Per l'esperimento del riso, quei nonameri - otto dischi d'oro su scala nanometrica disposti attorno a un disco più grande - sono stati depositati su un foglio di grafene attraverso la litografia a fascio di elettroni. I nonameri erano sintonizzati per diffondere la luce tra 500 e 1, 250 nanometri, ma con interferenza distruttiva a circa 825 nanometri.

Al punto di interferenza distruttiva, la maggior parte dell'energia della luce incidente viene convertita in elettroni caldi che si trasferiscono direttamente al foglio di grafene e cambiano porzioni del foglio da conduttore a semiconduttore drogato n.

Gli array di antenne possono essere influenzati in vari modi e consentono ai circuiti fantasma di materializzarsi sotto l'influenza della luce. "Le antenne a punti quantici e a nanoparticelle plasmoniche possono essere sintonizzate per rispondere praticamente a qualsiasi colore nello spettro visibile, " ha detto Nordlander. "Possiamo persino sintonizzarli su diversi stati di polarizzazione, o la forma di un fronte d'onda.

"Questa è la magia della plasmonica, " ha detto. "Possiamo sintonizzare la risonanza plasmonica come vogliamo. In questo caso, abbiamo deciso di farlo a 825 nanometri perché è nel mezzo della gamma spettrale delle nostre sorgenti luminose disponibili. Volevamo sapere che potevamo inviare luce con colori diversi e non vedere alcun effetto, e in quel particolare colore vedere un grande effetto."

Nordlander ha detto che prevede un giorno in cui, invece di usare una chiave, le persone potrebbero agitare una torcia in un particolare schema per aprire una porta inducendo i circuiti di una serratura su richiesta. "L'apertura di una serratura diventa un evento diretto perché stiamo inviando le luci giuste verso il substrato e creando i circuiti integrati. Risponderà solo alla mia chiamata, " Egli ha detto.