La capacità dei materiali metallici o semiconduttori di assorbire, riflettere e agire sulla luce è di primaria importanza per gli scienziati che sviluppano l'optoelettronica, dispositivi elettronici che interagiscono con la luce per svolgere compiti. Gli scienziati della Rice University hanno ora prodotto un metodo per determinare le proprietà di materiali sottili come un atomo che promettono di perfezionare la modulazione e la manipolazione della luce.

I materiali bidimensionali sono stati un argomento di ricerca caldo da quando il grafene, un reticolo piatto di atomi di carbonio, è stata individuata nel 2001. Da allora, gli scienziati hanno corso per sviluppare, in teoria o in laboratorio, nuovi materiali 2-D con una gamma di ottiche, proprietà elettroniche e fisiche.

Fino ad ora, mancava una guida completa alle proprietà ottiche che questi materiali offrono come riflettori ultrasottili, trasmettitori o assorbitori.

Il laboratorio di teoria dei materiali Rice Boris Yakobson ha raccolto la sfida. Yakobson e i suoi coautori, studente laureato e autore principale Sunny Gupta, la ricercatrice post-dottorato Sharmila Shirodkar e il ricercatore Alex Kutana, ha utilizzato metodi teorici all'avanguardia per calcolare le proprietà ottiche massime di 55 materiali 2-D.

"La cosa importante ora che abbiamo compreso il protocollo è che possiamo usarlo per analizzare qualsiasi materiale 2-D, " ha detto Gupta. "Questo è un grande sforzo computazionale, ma ora è possibile valutare qualsiasi materiale a un livello quantitativo più profondo".

Il loro lavoro, che appare questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , dettaglia la trasmittanza dei monostrati, assorbanza e riflettanza, proprietà che collettivamente hanno soprannominato TAR. Alla nanoscala, la luce può interagire con i materiali in modi unici, provocando interazioni elettrone-fotone o innescando plasmoni che assorbono la luce a una frequenza e la emettono in un'altra.

La manipolazione di materiali 2D consente ai ricercatori di progettare dispositivi sempre più piccoli come sensori o circuiti azionati dalla luce. Ma prima è utile sapere quanto è sensibile un materiale a una particolare lunghezza d'onda della luce, dall'infrarosso ai colori visibili all'ultravioletto.

"In genere, la saggezza comune è che i materiali 2-D sono così sottili che dovrebbero sembrare essenzialmente trasparenti, con riflessione e assorbimento trascurabili, "Ha detto Yakobson. "Sorprendentemente, abbiamo scoperto che ogni materiale ha una firma ottica espressiva, con una grande porzione di luce di un particolare colore (lunghezza d'onda) che viene assorbita o riflessa."

I coautori anticipano che i dispositivi di fotorilevamento e modulazione e i filtri polarizzatori sono possibili applicazioni per materiali 2-D che hanno proprietà ottiche dipendenti dalla direzione. "I rivestimenti multistrato potrebbero fornire una buona protezione dalle radiazioni o dalla luce, come dai laser, " disse Shirodkar. "In quest'ultimo caso, Potrebbero essere necessari film eterostrutturati (multistrato), rivestimenti di materiali complementari. Maggiori intensità di luce potrebbero produrre effetti non lineari, e tenerne conto richiederà sicuramente ulteriori ricerche".

I ricercatori hanno modellato pile 2D e singoli strati. "Gli stack possono ampliare la gamma spettrale o apportare nuove funzionalità, come polarizzatori, " ha detto Kutana. "Possiamo pensare di utilizzare modelli di eterostrutture impilate per memorizzare informazioni o anche per la crittografia".

Tra i loro risultati, i ricercatori hanno verificato che pile di grafene e borofene sono altamente riflettenti della luce nel medio infrarosso. La loro scoperta più sorprendente è stata che un materiale composto da più di 100 strati di boro da un singolo atomo - che sarebbe ancora spesso solo circa 40 nanometri - rifletterebbe più del 99 percento della luce dall'infrarosso all'ultravioletto, superando il grafene drogato e l'argento sfuso.

C'è un vantaggio collaterale che si adatta anche alla sensibilità artistica di Yakobson. "Ora che conosciamo le proprietà ottiche di tutti questi materiali, i colori che riflettono e trasmettono quando vengono colpiti dalla luce, possiamo pensare di realizzare vetrate colorate in stile Tiffany su scala nanometrica, " ha detto. "Sarebbe fantastico!"