Il grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, è stato pubblicizzato come un nuovo materiale meraviglioso:è più forte dell'acciaio e conduce l'elettricità meglio del rame.

Nel diario Nanotecnologia della natura oggi, io e i miei colleghi mostriamo come il grafene può essere usato per costruire un rivelatore di luce a lunga lunghezza d'onda (infrarosso lontano o terahertz) che sia sensibile come qualsiasi altro rivelatore esistente, ma molto più piccolo e più di un milione di volte più veloce. Il rilevatore potrebbe migliorare gli occhiali per la visione notturna, strumenti di analisi chimica e body scanner aeroportuali.

Ma prima di entrare nella ricerca, Vorrei parlare di come si passa dalla scoperta di un nuovo materiale meraviglioso come il grafene a nuove tecnologie utili.

Come ricercatore che lavora su nuovi materiali, Mi viene costantemente chiesto "a cosa serve?" Per rispondere a questo, la prima cosa che noi ricercatori spesso proviamo è immaginare il nuovo materiale come un sostituto di uno esistente in una tecnologia esistente.

Il problema con questo approccio è che qualsiasi tecnologia esistente ha molto slancio. Per esempio, considerare i processori dei computer. Gli elettroni nel grafene si muovono circa 70 volte più velocemente di quelli nel silicio (usato oggi nella maggior parte dei processori per computer) nelle stesse condizioni, quindi il grafene potrebbe essere probabilmente utilizzato per realizzare chip per computer più veloci.

Ma non è così semplice. Ci sono molte ragioni per cui usiamo il silicio oltre alla velocità con cui viaggiano gli elettroni:forma facilmente un forte rivestimento di ossido ed è facile da drogare, per nominare una coppia. E passare a un materiale radicalmente diverso significherebbe buttare via tutta l'infrastruttura utilizzata per realizzare chip di silicio che è stata sviluppata con enormi spese negli ultimi decenni.

Quindi una domanda migliore, anche se molto più difficile a cui rispondere, è chiedere che cosa un nuovo materiale potrebbe consentirci di fare che nessun altro materiale ha fatto prima. Le risposte a questa domanda non sempre arrivano immediatamente, e a volte arrivano per caso.

Due strati sono meglio di uno

Una proprietà del grafene che mi interessava era che il grafene a doppio strato (due strati impilati uno sull'altro) ha un bandgap, la proprietà di base di un semiconduttore, che può essere regolato applicando un campo elettrico al materiale.

Ho collaborato con i ricercatori dell'Università del Maryland per provare a misurare questa banda proibita usando la luce infrarossa, poiché i fotoni infrarossi hanno energie simili al bandgap del grafene a doppio strato. Quando abbiamo misurato la conduttanza del nostro grafene a doppio strato sotto illuminazione a infrarossi, abbiamo scoperto che è cambiato molto più di quanto ci aspettassimo.

Infatti, il cambiamento di conduttanza nel nostro grafene era maggiore di quello del fotorilevatore commerciale al silicio che stavamo usando per misurare la potenza del nostro raggio infrarosso! Per qualche ragione, il nostro grafene era un eccellente fotorivelatore.

Sapevamo abbastanza del grafene per capire cosa stava succedendo. Quando gli elettroni nel grafene assorbono la luce, si scaldano. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni perdono rapidamente energia alle vibrazioni degli atomi, che percepiamo come calore.

Ma nel grafene questo processo di perdita di calore è molto inefficiente, che conferisce al grafene la sua straordinaria conduttività elettrica. Quello che abbiamo capito è che il grafene a doppio strato con un bandgap ha una conduttanza che varia fortemente con la temperatura dell'elettrone, permettendoci di leggere la variazione della temperatura degli elettroni causata dalla luce che riscalda gli elettroni.

Un tale dispositivo è chiamato "bolometro a elettroni caldi" e il grafene a doppio strato ne fa uno molto buono. Abbiamo pubblicato il nostro risultato sulla rivista Nanotecnologia della natura nel 2012, e diversi gruppi di ricerca sono interessati allo sviluppo di bolometri al grafene come rivelatori criogenici squisitamente sensibili da utilizzare nella radioastronomia.

Sfortunatamente, l'effetto bolometrico funziona bene solo a bassa temperatura, dove la resistenza del grafene a doppio strato cambia fortemente con la temperatura. Ma sapevamo dalle nostre misurazioni che gli effetti degli elettroni caldi dovrebbero essere importanti nel grafene a temperatura ambiente.

Il nostro team ha progettato un dispositivo in grado di misurare gli elettroni caldi a temperatura ambiente, sfruttando un effetto chiamato termoelettricità. I nostri primi rilevatori fototermoelettrici al grafene erano paragonabili in sensibilità ai migliori rilevatori di luce a temperatura ambiente disponibili nel lontano infrarosso, o terahertz, regime dello spettro elettromagnetico, e abbiamo visto spazio per miglioramenti di ordini di grandezza nella sensibilità con nuovi progetti.

interessante, i nostri dispositivi erano più di un milione di volte più veloci di quei rilevatori, e sono questi i risultati che pubblichiamo oggi, ancora una volta in Nanotecnologia della natura .

Il grafene ci mostra la luce

Il rilevamento della luce infrarossa e terahertz ha numerosi usi, dalle analisi chimiche agli occhiali per la visione notturna ai body scanner utilizzati nella sicurezza aeroportuale.

Ma poiché un ultraveloce, rivelatore di terahertz sensibile non era mai stata considerata una possibilità prima, è difficile dire dove potrebbero essere applicati i nostri dispositivi.

Il nostro rivelatore potrebbe essere utilizzato per velocizzare le tecniche di analisi chimica come la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, o FTIR.

Poiché il rilevatore di grafene è facilmente microfabbricato, immaginiamo array di pixel del rivelatore adatti per l'imaging, che potrebbe portare a telecamere a infrarossi poco costose o occhiali per la visione notturna.

I nostri calcoli mostrano che l'effetto fototermoelettrico dell'elettrone caldo può essere un mezzo efficiente per raccogliere energia dalla luce. Forse i nostri dispositivi potrebbero essere usati per raccogliere la luce infrarossa che fuoriesce dalla Terra nel cielo notturno, e trasformarlo in elettricità. Forse saranno usati per qualcosa a cui non abbiamo ancora pensato.

Ma se non avessimo mai deciso di indagare su un nuovo materiale semplicemente per capire come funziona, non avremmo mai scoperto queste nuove risposte alla domanda, "per cosa è buono?"

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).