I ricercatori di Rice e Osaka hanno escogitato un metodo semplice per trovare contaminanti su un grafene spesso come un atomo. Mettendo il grafene su uno strato di fosfuro di indio, che emette onde terahertz quando eccitato da un impulso laser, possono misurare e mappare i cambiamenti nella sua conduttività elettrica. Credito:università Rice e Osaka
Il grafene può essere duro, ma chi lo maneggia farebbe meglio a essere tenero. L'ambiente che circonda il materiale di carbonio dello spessore di un atomo può influenzare le sue prestazioni elettroniche, secondo i ricercatori delle università Rice e Osaka che hanno escogitato un modo semplice per individuare i contaminanti.
Perché è così facile introdurre accidentalmente impurità nel grafene, i laboratori guidati dai fisici Junichiro Kono di Rice e Masayoshi Tonouchi dell'Istituto di ingegneria laser di Osaka hanno scoperto un modo per rilevare e identificare molecole fuori posto sulla sua superficie attraverso la spettroscopia terahertz.
Si aspettano che la scoperta sia importante per i produttori che considerano l'uso del grafene nei dispositivi elettronici.
La ricerca è stata pubblicata questa settimana dalla rivista online ad accesso aperto di Nature Rapporti scientifici . È stato reso possibile dal programma NanoJapan a base di riso, attraverso il quale gli studenti universitari americani conducono tirocini estivi di ricerca nei laboratori giapponesi.
Anche una singola molecola di una sostanza estranea può contaminare il grafene abbastanza da influenzare le sue proprietà elettriche e ottiche, disse Kono. Sfortunatamente (e forse ironicamente), che include i contatti elettrici.
"Tradizionalmente, per misurare la conducibilità in un materiale, bisogna collegare i contatti e poi fare le misurazioni elettriche, " disse Kono, il cui laboratorio è specializzato nella ricerca sui terahertz. "Ma il nostro metodo è senza contatto".
Una mappa dell'ampiezza della radiazione terahertz emessa dal fosfuro di indio rivestito di grafene mostra dove le molecole di ossigeno si sono depositate sulla superficie dopo l'esposizione all'aria per alcune settimane. Il blu al punto 1 indica un'elevata polarizzazione dovuta all'assorbimento di molecole di ossigeno, mentre l'arancione al punto 2 è elettronicamente equivalente al fosfuro di indio nudo. La ricerca delle università Rice e Osaka rende possibile un modo semplice per individuare i contaminanti sul grafene. Credito:università Rice e Osaka
Ciò è possibile perché il fosfuro di indio composto emette onde terahertz quando è eccitato. I ricercatori lo hanno usato come substrato per il grafene. Colpire il materiale combinato con impulsi a femtosecondi da un laser nel vicino infrarosso ha spinto il fosfuro di indio a emettere terahertz attraverso il grafene. Imperfezioni piccole come una molecola di ossigeno vagante sul grafene sono state rilevate da uno spettrometro.
"Il cambiamento nel segnale terahertz dovuto all'adsorbimento delle molecole è notevole, " Kono ha detto. "Non solo l'intensità, ma anche la forma d'onda della radiazione terahertz emessa cambia totalmente e dinamicamente in risposta all'adsorbimento e al desorbimento molecolare. Il prossimo passo è esplorare la massima sensibilità di questa tecnica unica per il rilevamento del gas".
La tecnica può misurare sia le posizioni delle molecole contaminanti che i cambiamenti nel tempo. "Il laser rimuove gradualmente le molecole di ossigeno dal grafene, cambiando la sua densità, e possiamo vedere che, " disse Kono.
L'esperimento prevedeva la coltivazione di grafene incontaminato tramite deposizione chimica da vapore e il suo trasferimento su un substrato di fosfuro di indio. Gli impulsi laser hanno generato esplosioni coerenti di radiazioni terahertz attraverso un campo elettrico superficiale incorporato nel substrato di fosfuro di indio che è cambiato a causa del trasferimento di carica tra il grafene e le molecole contaminanti. L'onda terahertz, quando visualizzato, rifletteva il cambiamento.
I risultati sperimentali sono un avvertimento per i produttori di elettronica. "Per qualsiasi progetto futuro di dispositivi che utilizzino il grafene, dobbiamo tener conto dell'influenza dell'ambiente circostante, " ha detto Kono. Il grafene nel vuoto o inserito tra strati non contaminanti sarebbe probabilmente stabile, ma l'esposizione all'aria lo contaminerebbe, Egli ha detto.
I laboratori Rice e Osaka stanno continuando a collaborare a un progetto per misurare la conduttività terahertz del grafene su vari substrati, Egli ha detto.
