L'assorbimento dell'infrarosso dovuto sia alle transizioni elettroniche che ai fononi in campioni di grafene a pochi strati (da 3 a 6 strati) con sovrapposizione di strati romboedrica (a sinistra) e Bernal (a destra). Il contributo fononico altamente asimmetrico vicino a 200 meV è il risultato dell'accoppiamento tra elettroni e fononi.
(Phys.org) — Dalla sua scoperta nel 2004, il grafene è stato acclamato come un "materiale meraviglioso" per le sue proprietà quasi incredibili. Con un solo atomo di spessore, un singolo strato bidimensionale è più forte del diamante, conduce l'elettricità meglio del rame, e conduce il calore meglio di qualsiasi materiale conosciuto. Il reticolo esagonale a nido d'ape che compone il materiale consente un'estrema flessibilità, ma rende anche il materiale più impermeabile mai trovato, escludendo anche i più piccoli atomi di elio.
E quando i fogli di grafene sono impilati, il risultante "grafene a pochi strati" può funzionare come semimetallo o semiconduttore, a seconda dell'ordine e dello spessore degli strati.
Gli studi sugli effetti dell'ordine di impilamento sul grafene sono in fase di relativa infanzia, ma recenti esperimenti di scienziati che lavorano presso la National Synchrotron Light Source presso il Brookhaven National Laboratory hanno fatto luce sulla natura camaleontica di questo materiale.
Un team di scienziati, guidato da Tony Heinz della Columbia University, ha confrontato l'assorbimento infrarosso di campioni di grafene a pochi strati impilati in due modi:un modello ABA a zigzag chiamato impilamento di Bernal, in cui gli strati superiore e inferiore abbinati racchiudono un terzo strato che è compensato dalla lunghezza di un atomo; e un modello ABC romboedrico in cui lo strato superiore viene spostato di un altro atomo di distanza dal foglio centrale di grafene.
Questo leggero spostamento nello strato superiore del grafene è tutto ciò che serve per far cambiare le proprietà di base del materiale. Il team ha scoperto che riorganizzare gli strati in un ordine di sovrapposizione ABC aumenta drasticamente la quantità di luce infrarossa che il grafene a pochi strati assorbirà in intervalli di lunghezze d'onda selettivi. È un po' come se disponessi i blocchi Lego in diversi modelli e scoprissi che di conseguenza hanno cambiato colore.
Questo perché i cambiamenti nell'ordine di sovrapposizione alterano la quantità di stati disponibili affinché gli elettroni possano abitare sia a riposo che quando sono eccitati dopo aver assorbito la luce infrarossa. Il team ha anche scoperto che anche i fononi, le vibrazioni meccaniche degli atomi di carbonio che formano ciascun foglio di grafene, sono influenzati dalla disposizione di impilamento a causa della loro forte connessione con le eccitazioni elettroniche. Quando l'assorbimento elettronico cresce, cresce anche l'assorbimento fononico.
Utilizzando NSLS, sono stati in grado di misurare con precisione la quantità di luce infrarossa che questi campioni impilati in modo diverso stavano assorbendo. "I campioni di grafene a pochi strati che abbiamo studiato sono tutti molto piccoli, dimensioni di appena dieci micrometri, " ha affermato il fisico della Columbia University Zhiqiang Li. "La radiazione di sincrotrone è fondamentale per le nostre misurazioni perché ha un'intensità molto elevata e può essere focalizzata su un piccolo punto sui nostri campioni, che consente misurazioni a infrarossi con un buon rapporto segnale-rumore."
Li ha affermato che ulteriori esplorazioni nelle proprietà flessibili e controllabili del grafene potrebbero portare a una vasta gamma di applicazioni in elettronica e fotonica, come pannelli solari o fotorivelatori.
La ricerca è stata condotta da scienziati della Columbia University, il Consiglio nazionale delle ricerche spagnolo, il Consiglio Nazionale delle Ricerche, Università La Sapienza, Case Western Reserve University, e Laboratorio nazionale di Brookhaven.
