Un estudio publicado en Nano letras por investigadores de la Universidad Estatal de Florida El Departamento de Física y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la FSU exploran cómo las manipulaciones físicas del grafeno, como las capas y la torsión, afectan sus propiedades ópticas y su conductividad.
El grafeno es conocido por su conductividad, que supera a la del cobre, así como por su resistencia y ligereza, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones en el sector eléctricamente conductor. nanomateriales. Esta forma de carbono elemental pure consta de una única capa plana de átomos de carbono dispuestos en una purple hexagonal repetitiva, lo que ha impulsado la investigación en curso sobre sus propiedades.
El equipo de investigación, dirigido por los profesores asistentes Guangxin Ni y Cyprian Lewandowski, junto con el asistente de investigación graduado Ty Wilson, descubrió que la conductividad del grafeno bicapa retorcido está más influenciada por pequeños cambios en la estructura geométrica causados por la torsión entre capas que por manipulaciones físicas o químicas. Este descubrimiento sienta las bases para futuras investigaciones sobre los efectos de temperaturas y frecuencias más bajas en las características 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. Queríamos examinar este materials desde esa perspectiva.
Ty Wilson, asistente de investigación graduado, Universidad Estatal de Florida
Para realizar el estudio, el grupo capturó imágenes de plasmones (pequeñas ondas de energía generadas cuando los electrones de un materials se mueven al unísono) y observó su presencia en varias áreas del grafeno bicapa retorcido.
Wilson añadió: “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. 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.«
Para diferenciar entre varias áreas del grafeno bicapa retorcido, el equipo examinó los límites de los granos (defectos en la estructura cristalina) identificados en las imágenes generadas. Observaron que las dos láminas de átomos de carbono en estas regiones que contienen plasmones estaban torcidas en diferentes ángulos en relación con una capa de nitruro de boro hexagonal, un cristal en capas transparente colocado debajo de ellas.
Los físicos describen el patrón geométrico que se forma cuando un conjunto de líneas rectas o curvas se superpone a otro conjunto como un «patrón muaré», derivado de la palabra francesa para «regado». Cuando la bicapa de grafeno y el nitruro de boro se retorcieron, crearon una estructura conocida como «doble muaré» (dos capas de patrones), también conocida como «superred».
Wilson afirmó: “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’.«
El equipo descubrió que incluso cuando el grafeno está dopado eléctricamente y sujeto a diferentes frecuencias de luz infrarroja, la conductividad óptica del grafeno bicapa retorcido con nitruro de boro permanece relativamente sin cambios para ángulos de torsión menores de dos grados.
“Lo que esto nos cube es que las propiedades optoelectrónicas de este materials super-moiré son independientes del dopaje químico o del ángulo de torsión del grafeno bicapa retorcido y, en cambio, dependen más de la estructura super-moiré en sí y de cómo afecta a las bandas electrónicas del materials. , lo que permite una conductividad óptica mejorada”, añadió Wilson.
Lewandowski afirmó que este resultado es interesante porque muestra cómo se pueden utilizar sistemas de muaré multicapa para crear 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. 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.”, añadió Wilson.
Los hallazgos del equipo ilustran el importante papel de las relajaciones geométricas en las redes de doble muaré, mejorando la comprensión de los investigadores sobre cómo los nanomateriales como el grafeno responden a diferentes manipulaciones.
Este conocimiento se puede utilizar para ayudar en el desarrollo de características ópticas específicas, como una conductividad mejorada, en materiales. Estos avances podrían contribuir a aplicaciones prácticas en optoelectrónica muaré, incluidas las tecnologías de imágenes térmicas y la conmutación óptica en procesadores de computadoras.
Esto allana el camino para nuestra exploración continua de diversos fenómenos nanoópticos y electrónicos que son inalcanzables con ópticas alternativas de campo lejano con difracción limitada.
Guangxin Ni, profesor asistente, Universidad Estatal de Florida
El financiamiento para este estudio en FSU proviene de la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias y el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. El estudio también incluyó contribuciones de la Universidad de Wuhan en China, la Academia de Ciencias de China y el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai.
Referencia de la revista:
Cuí, S. et. Alabama. (2024) Imágenes de conductividad óptica a nanoescala de grafeno bicapa trenzado de doble muaré. Nano letras. doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02841
