Le proprietà uniche del grafene possono essere sia una benedizione che una maledizione per i ricercatori, specialmente a quelli all'intersezione di applicazioni ottiche ed elettroniche. Questi fogli spessi di un singolo atomo presentano elettroni altamente mobili sui loro profili flessibili, rendendoli ottimi direttori d'orchestra, ma in generale i fogli di grafene non interagiscono con la luce in modo efficiente.

Problematico per la luce a lunghezza d'onda più corta, fotoni nella regione del vicino infrarosso dello spettro, dove le applicazioni di telecomunicazione diventano realizzabili. In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Lettere di ottica , dalla Società Ottica (OSA), ricercatori dell'Università tecnica della Danimarca hanno dimostrato, per la prima volta, miglioramento efficiente dell'assorbimento a una lunghezza d'onda di 2 micrometri mediante grafene, in particolare dai plasmoni dei dischi di grafene su scala nanometrica.

Proprio come le increspature dell'acqua derivanti dall'energia di un sassolino caduto, oscillazioni elettroniche possono sorgere in elettroni di conduzione che si muovono liberamente assorbendo energia luminosa. Il collettivo risultante, i moti coerenti di questi elettroni sono chiamati plasmoni, che servono anche ad amplificare la forza del campo elettrico della luce assorbita nelle immediate vicinanze. I plasmoni stanno diventando sempre più comuni in varie applicazioni optoelettroniche in cui i metalli altamente conduttivi possono essere facilmente integrati.

plasmoni di grafene, però, affrontare una serie aggiuntiva di sfide non familiari ai plasmoni dei metalli sfusi. Una di queste sfide è la lunghezza d'onda relativamente lunga necessaria per eccitarli. Molti sforzi che sfruttano gli effetti potenzianti dei plasmoni sul grafene si sono dimostrati promettenti, ma per la luce a bassa energia.

"La motivazione del nostro lavoro è spingere i plasmoni di grafene a lunghezze d'onda più corte al fine di integrare i concetti di plasmoni di grafene con le tecnologie mature esistenti, " disse Sanshui Xiao, professore associato presso l'Università tecnica della Danimarca.

Fare così, Xiao, Wang e i loro collaboratori si sono ispirati ai recenti sviluppi del Centro universitario di grafene nanostrutturato (CNG), dove hanno dimostrato un metodo di autoassemblaggio che ha prodotto grandi array di nanostrutture di grafene. Il loro metodo utilizza principalmente la geometria per rafforzare gli effetti del plasmone del grafene a lunghezze d'onda più corte diminuendo la dimensione delle strutture del grafene.

Utilizzando maschere litografiche preparate con un metodo di autoassemblaggio basato su copolimero a blocchi, i ricercatori hanno realizzato matrici di nanodischi di grafene. Hanno controllato la dimensione finale dei dischi esponendo l'array al plasma di ossigeno che ha inciso sui dischi, portando il diametro medio a circa 18 nm. Questo è circa 1000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

L'array di dischi di circa 18 nm, risultante da 10 secondi di attacco con plasma di ossigeno, ha mostrato una chiara risonanza con luce di lunghezza d'onda di 2 micrometri, la risonanza di lunghezza d'onda più corta mai osservata nei plasmoni di grafene.

Un presupposto potrebbe essere che tempi di incisione più lunghi o maschere litografiche più fini, e quindi dischi più piccoli, produrrebbe lunghezze d'onda ancora più corte. In linea di massima questo è vero, ma a 18 nm i dischi iniziano già a richiedere la considerazione dei dettagli atomici e degli effetti quantistici.

Anziché, il team prevede di sintonizzare le risonanze plasmoniche di grafene su scale più piccole in futuro utilizzando metodi di gating elettrico, dove la concentrazione locale di elettroni e il profilo del campo elettrico alterano le risonanze.

Xiao ha detto, "Per spingere ulteriormente i plasmoni di grafene a lunghezze d'onda più corte, abbiamo in programma di utilizzare il cancello elettrico. Invece di dischi di grafene, saranno scelti gli antidoti al grafene (cioè fogli di grafene con fori regolari) perché è facile implementare una tecnica di back-gating."

Ci sono anche limiti fondamentali alla fisica che impediscono di accorciare la lunghezza d'onda della risonanza plasmonica del grafene con più incisioni. "Quando la lunghezza d'onda diventa più corta, la transizione interbanda giocherà presto un ruolo chiave, portando ad un allargamento della risonanza. A causa del debole accoppiamento della luce con i plasmoni di grafene e di questo effetto di allargamento, diventerà difficile osservare la caratteristica di risonanza, " Spiegò Xiao.