Per comprendere materiali avanzati come le nanostrutture di grafene e ottimizzarli per dispositivi in ​​nano-, La tecnologia opto e quantistica è fondamentale per capire come i fononi, la vibrazione degli atomi nei solidi, influenzino le proprietà dei materiali. Ricercatori dell'Università di Vienna, l'Istituto Superiore di Scienza e Tecnologia in Giappone, la società JEOL e l'Università La Sapienza di Roma hanno sviluppato un metodo in grado di misurare tutti i fononi esistenti in un materiale nanostrutturato. Si tratta di una svolta nell'analisi di materiali e dispositivi funzionali su scala nanometrica. Con questo esperimento pilota che utilizza nanostrutture di grafene questi ricercatori hanno dimostrato l'unicità del loro approccio, che sarà pubblicato nell'ultimo numero di Natura .

Termico importante, meccanico, le caratteristiche optoelettroniche e di trasporto dei materiali sono governate dai fononi:le onde vibrazionali atomiche che si propagano. È quindi deducibile che la determinazione di tali vibrazioni atomiche estese sia cruciale per l'ottimizzazione dei dispositivi nanoelettronici. Le attuali tecniche disponibili utilizzano metodi ottici e anelastici elettroni, Scattering di raggi X e neutroni. Nonostante la sua importanza scientifica nell'ultimo decennio, nessuno di questi metodi è stato in grado di determinare tutti i fononi di un monostrato indipendente di materiali bidimensionali (2-D) come il grafene e le loro variazioni locali all'interno di un nanonastro di grafene, che sono a loro volta utilizzati come elementi attivi nella nano e optoelettronica.

I nuovi limiti della nanospettroscopia

Un team di ricerca internazionale di massimi esperti in spettroscopia elettronica guidato da Thomas Pichler presso l'Università di Vienna, spettroscopia teorica guidata da Francesco Mauri presso l'Università La Sapienza di Roma e microscopia elettronica guidata da Kazu Suenaga presso l'AIST Tsukuba in Giappone, insieme alla società giapponese JEOL hanno presentato un metodo originale applicandolo alle nanostrutture di grafene come modello:"spettroscopia elettronica ad alta risoluzione all'interno di un microscopio elettronico con sensibilità sufficiente per misurare anche un monostrato atomico". In questo modo è stato possibile determinare per la prima volta tutti i modi vibrazionali del grafene indipendente, nonché l'estensione locale dei diversi modi vibrazionali in un nanonastro di grafene. Questo nuovo metodo, che hanno chiamato "large q mapping" apre possibilità completamente nuove per determinare l'estensione spaziale e del momento dei fononi in tutti i materiali avanzati nanostrutturati e bidimensionali. Questi esperimenti spingono i limiti della nanospettroscopia avvicinandosi ai limiti del principio di indeterminazione di Heisenberg e dimostrano nuove possibilità per studiare le modalità di vibrazione locale su scala nanometrica fino ai singoli monostrati.

Nuovo nanospettrometro elettronico come sincrotrone "da tavolo"

"La prova sperimentale diretta della mappatura completa spaziale e risolta del momento delle vibrazioni locali di tutti i materiali, inclusi anche i materiali 2-D monostrato e i nanonastri, ci consentirà di districare completamente le diverse modalità di vibrazione e i loro trasferimenti di quantità di moto a strutture non perfette come bordi o difetti, che sono estremamente importanti per comprendere e ottimizzare le proprietà locali di un materiale, " spiega uno dei principali autori, Ryosuke Senga.

Questo studio di "High q-Mapping Of Vibrations" nel microscopio elettronico apre un nuovo percorso di nanospettroscopia di tutti i materiali che combina misurazioni spaziali e di momento. Questa è stata la sfida più grande per quanto riguarda la combinazione di microscopia e spettroscopia, poiché le risoluzioni spaziali e di momento sono compensate dal limite del principio di indeterminazione di Heisenberg. "Riteniamo che la nostra metodologia darà impulso alla vasta ricerca nella scienza dei materiali e spingerà la spettroscopia elettronica ad alta risoluzione nella microscopia elettronica al livello successivo, da concepire come un vero sincrotrone da tavolo, ", afferma Thomas Pichler dell'Università di Vienna.