Cuando se trata de nanomateriales conductores de electricidad, se ha demostrado que el grafeno (más resistente y liviano que el acero y más conductor que el cobre) es una excelente opción para una amplia gama de tecnologías.
Los físicos están trabajando para aprender más sobre esta impresionante forma de carbono elemental pure, que se compone de una única capa plana de átomos de carbono dispuestos en una purple hexagonal repetitiva.
Ahora, investigadores del Departamento de Física de la Universidad Estatal de Florida y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la FSU han publicado nuevos hallazgos que revelan cómo diversas manipulaciones físicas del grafeno, como las capas y la torsión, afectan sus propiedades ópticas y su conductividad. El estudio fue publicado en la revista Nano letras.
El equipo, dirigido por el profesor asistente Guangxin Ni, junto con el profesor asistente Cyprian Lewandowski y el asistente de investigación graduado Ty Wilson, descubrió que la conductividad del grafeno bicapa retorcido no se ve muy afectada por manipulaciones físicas o químicas y, en cambio, depende más de cómo se adapta la diminuta geometría del materials. La estructura cambia mediante la torsión de las capas intermedias, una revelación que abre la puerta a estudios adicionales sobre cómo las temperaturas y frecuencias más bajas afectan las propiedades del grafeno.
«Este camino específico de investigación comenzó como un intento de explicar algunas de las propiedades ópticas del grafeno bicapa retorcido, ya que este materials ha sido fotografiado anteriormente con microscopios ópticos de barrido de campo cercano, pero no de una manera que examine diferentes ángulos de torsión», Wilson dicho. «Queríamos examinar este materials desde esa perspectiva».
Para realizar el estudio, el equipo capturó imágenes de plasmones (pequeñas ondas de energía que se producen cuando los electrones de un materials se mueven juntos) que aparecieron en varias regiones del grafeno bicapa retorcido.
«El microscopio óptico de barrido de campo cercano esencialmente irradia una cierta longitud de onda de luz infrarroja sobre la muestra, y la luz dispersada se recoge nuevamente para formar una imagen a nanoescala que está muy por debajo del límite de difracción», dijo Wilson. «La clave aquí es que se trata de una aguja que aumenta sustancialmente el acoplamiento luz-materia, lo que nos permite ver estos plasmones utilizando nanoluz».
El equipo analizó los límites de los granos, o defectos en la estructura cristalina, en las imágenes resultantes para identificar diferentes regiones del grafeno bicapa retorcido. Estas regiones que contienen los plasmones despertaron el interés del equipo porque las dos láminas de átomos de carbono estaban torcidas en ángulos discretos en cada una, además de estar torcidas con respecto a una capa de nitruro de boro hexagonal, un cristal en capas transparente, colocada debajo.
Los físicos se refieren al diseño geométrico que resulta cuando un conjunto de líneas rectas o curvas se superpone a otro conjunto como un «patrón muaré», derivado de una palabra francesa para «regado». La torsión de la bicapa de grafeno y nitruro de boro dio como resultado la formación de lo que se conoce como una estructura de «doble muaré», dos capas de patrones, también conocida como «superred».
«El plan period comparar la señal reflejada de campo cercano que obtuvimos para cada dominio, mientras que la mayoría de las investigaciones anteriores sobre el grafeno analizaban solo un ángulo de torsión único, y nunca antes con estos sistemas de ‘muaré de muaré'», dijo Wilson.
El equipo descubrió que la conductividad óptica del grafeno bicapa retorcido con nitruro de boro no varía mucho con el ángulo de torsión para ángulos de menos de dos grados, incluso cuando el grafeno está dopado eléctricamente y expuesto a frecuencias cambiantes de luz infrarroja.
«Lo que esto nos cube es que las propiedades optoelectrónicas de este materials supermuaré son independientes del dopaje químico o del ángulo de torsión del grafeno bicapa retorcido y, en cambio, dependen más de la estructura supermuaré en sí y de cómo afecta a las bandas electrónicas en el materials, lo que permite una conductividad óptica mejorada», dijo Wilson.
Lewandowski añadió que este resultado es emocionante porque resalta el potencial de los sistemas muaré multicapa en la construcción de materiales con propiedades ópticas «bajo demanda».
«La técnica de medición utilizada por el grupo del profesor Ni nos permite sondear la respuesta óptica native de sistemas 2D, complementando otras técnicas de medición native comúnmente utilizadas para materiales 2D», afirmó. «Curiosamente, junto con el modelado teórico que lo acompaña, la medición informada demuestra cómo un sistema 2D puede lograr una respuesta óptica casi uniforme en un amplio rango de frecuencia de luz de forma pasiva, sin la necesidad de retroalimentación electrónica activa».
Los hallazgos del equipo indican el impacto significativo de las relajaciones geométricas en redes de doble muaré, lo que ayuda a los investigadores a comprender mejor cómo los nanomateriales como el grafeno pueden responder a diferentes manipulaciones. A su vez, esta información se puede utilizar para ayudar a los científicos a producir propiedades ópticas deseables, como una conductividad mejorada, en un materials, lo que permitirá avances innovadores en optoelectrónica muaré, incluidas tecnologías de imágenes térmicas y conmutación óptica en procesadores de computadora.
«Esto allana el camino para nuestra exploración continua de diversos fenómenos nanoópticos y electrónicos que son inalcanzables con ópticas alternativas de campo lejano limitadas por difracción», dijo Ni.
