Natuurkundigen onthullen hoe lagen en wendingen de optische geleidbaarheid van grafeen beïnvloeden

Als het om elektrisch geleidende nanomaterialen gaat, is gebleken dat grafeen – sterker en lichter dan staal en beter geleidend dan koper – een uitstekende keuze is voor een breed scala aan technologieën.

Natuurkundigen proberen meer te weten te komen over deze indrukwekkende vorm van natuurlijk voorkomende elementaire koolstof, die is samengesteld uit een enkele platte laag koolstofatomen, gerangschikt in een zich herhalend hexagonaal rooster.

Nu hebben onderzoekers van het Florida State University Department of Physics en het National High Magnetic Field Laboratory met hoofdkantoor van de FSU bevindingen gepubliceerd die laten zien hoe verschillende fysieke manipulaties van grafeen, zoals gelaagdheid en verdraaiing, de optische eigenschappen en geleidbaarheid ervan beïnvloeden. De studie is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Het team, onder leiding van assistent-professor Guangxin Ni, samen met assistent-professor Cyprian Lewandowski en afgestudeerd onderzoeksassistent Ty Wilson, ontdekte dat de geleidbaarheid van gedraaid dubbellaags grafeen niet zwaar wordt beïnvloed door fysische of chemische manipulaties en in plaats daarvan meer afhangt van hoe de minieme geometrie van het materiaal structuur verandert door verdraaiing tussen de lagen – een openbaring die de deur opent voor aanvullend onderzoek naar hoe lagere temperaturen en frequenties de eigenschappen van grafeen beïnvloeden.

“Dit specifieke onderzoekspad begon als een poging om enkele van de optische eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen te verklaren, omdat dit materiaal al eerder in beeld is gebracht met scannende optische microscopen in het nabije veld, maar niet op een manier die verschillende draaihoeken vergeleek”, zegt Wilson. gezegd. “We wilden dit materiaal vanuit dat perspectief onderzoeken.”

Om het onderzoek uit te voeren heeft het team beelden gemaakt van plasmonen (kleine energiegolven die optreden wanneer elektronen in een materiaal samen bewegen) die in verschillende delen van het gedraaide dubbellaagse grafeen verschenen.

“De scannende optische microscoop in het nabije veld schijnt in wezen een bepaalde golflengte van infrarood licht op het monster, en het verstrooide licht wordt teruggevangen om een ​​beeld op nanoschaal te vormen dat ver onder de diffractielimiet ligt”, aldus Wilson. “De sleutel hier is dat het om een ​​naald gaat die de koppeling tussen licht en materie substantieel versterkt, waardoor we deze plasmonen kunnen zien met behulp van nanolicht.”

Het team analyseerde de korrelgrenzen, of defecten in de kristalstructuur, in de resulterende beelden om verschillende gebieden van het gedraaide dubbellaagse grafeen te identificeren. Deze gebieden met de plasmonen wekten de interesse van het team omdat de twee lagen koolstofatomen in elk ervan onder afzonderlijke hoeken waren gedraaid, en bovendien waren ze gedraaid ten opzichte van een laag hexagonaal boornitride (een transparant gelaagd kristal) dat eronder was geplaatst.

Natuurkundigen noemen het geometrische ontwerp dat ontstaat wanneer een reeks rechte of gebogen lijnen over een andere reeks heen wordt gelegd, een moirépatroon, afgeleid van een Frans woord voor ‘verwaterd’. Het verdraaien van het dubbellaagse grafeen en boornitride resulteerde in de vorming van wat bekend staat als een dubbel-moiré-structuur, twee lagen patronen, ook wel bekend als een superrooster.

“Het plan was om het gereflecteerde nabije veldsignaal dat we voor elk domein kregen te vergelijken, terwijl bij het meeste eerdere onderzoek naar grafeen slechts naar een enkele draaihoek werd gekeken, en nooit eerder met deze ‘moiré of moiré’-systemen,” zei Wilson.

Het team ontdekte dat de optische geleidbaarheid van gedraaid dubbellaags grafeen met boornitride niet veel varieert met de draaihoek voor hoeken van minder dan twee graden, zelfs wanneer het grafeen elektrisch is gedoteerd en wordt blootgesteld aan veranderende frequenties van infrarood licht.

“Wat dit ons vertelt is dat de opto-elektronische eigenschappen van dit super-moiré-materiaal onafhankelijk zijn van chemische doping of de draaihoek van het gedraaide dubbellaagse grafeen, en in plaats daarvan meer afhangen van de super-moiré-structuur zelf en hoe deze de elektronische banden in de kern beïnvloedt.” materiaal, wat een verbeterde optische geleidbaarheid mogelijk maakt”, aldus Wilson.

Lewandowski voegde eraan toe dat dit resultaat opwindend is omdat het het potentieel benadrukt van meerlaagse moiré-systemen bij het construeren van materialen met “on-demand” optische eigenschappen.

“De meettechniek die door de groep van professor Ni wordt gebruikt, stelt ons in staat de lokale optische respons van 2D-systemen te onderzoeken, als aanvulling op andere lokale meettechnieken die gewoonlijk worden gebruikt voor 2D-materialen”, zei hij. “Interessant is dat de gerapporteerde meting, in combinatie met de bijbehorende theoretische modellering, beargumenteert hoe een 2D-systeem passief een bijna uniforme optische respons over een breed lichtfrequentiebereik kan bereiken, zonder de noodzaak van actieve elektronische feedback.”

De bevindingen van het team wijzen op de aanzienlijke impact van geometrische relaxaties in dubbel-moiré-roosters, waardoor onderzoekers beter kunnen begrijpen hoe nanomaterialen zoals grafeen kunnen reageren op verschillende manipulaties. Deze informatie kan op zijn beurt worden gebruikt om wetenschappers te helpen gewenste optische eigenschappen – zoals verbeterde geleidbaarheid – in een materiaal te produceren, waardoor innovatieve ontwikkelingen op het gebied van moiré-opto-elektronica mogelijk worden, waaronder thermische beeldtechnologieën en optisch schakelen in computerprocessors.

“Dit maakt de weg vrij voor onze voortdurende verkenning van verschillende nano-optische en elektronische verschijnselen die onbereikbaar zijn met alternatieve diffractie-gelimiteerde far-field-optica”, zei Ni.