Las propiedades únicas del grafeno pueden ser tanto una bendición como una maldición para los investigadores. especialmente para aquellos en la intersección de aplicaciones ópticas y electrónicas. Estas hojas gruesas de un solo átomo cuentan con electrones altamente móviles en sus perfiles flexibles, haciéndolos excelentes conductores, pero, en general, las láminas de grafeno no interactúan con la luz de manera eficiente.

Problemático para luz de longitud de onda más corta, fotones en la región del infrarrojo cercano del espectro, donde las aplicaciones de telecomunicaciones se vuelven realizables. En un artículo publicado esta semana en la revista Letras de óptica , de The Optical Society (OSA), investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca han demostrado, por primera vez, mejora de la absorción eficiente a una longitud de onda de 2 micrómetros por grafeno, específicamente por los plasmones de discos de grafeno a nanoescala.

Al igual que las ondas de agua que surgen de la energía de un guijarro caído, Pueden surgir oscilaciones electrónicas en electrones de conducción que se mueven libremente al absorber energía luminosa. El colectivo resultante, Los movimientos coherentes de estos electrones se denominan plasmones, que también sirven para amplificar la fuerza del campo eléctrico de la luz absorbida en las proximidades. Los plasmones se están volviendo cada vez más comunes en diversas aplicaciones optoelectrónicas donde los metales altamente conductores se pueden integrar fácilmente.

Plasmones de grafeno, sin embargo, enfrenta un conjunto adicional de desafíos desconocidos para los plasmones de metales a granel. Uno de estos desafíos es la longitud de onda relativamente larga necesaria para excitarlos. Muchos esfuerzos que aprovechan los efectos potenciadores de los plasmones sobre el grafeno han demostrado ser prometedores, pero para luz de baja energía.

"La motivación de nuestro trabajo es impulsar los plasmones de grafeno a longitudes de onda más cortas para integrar los conceptos de plasmones de grafeno con las tecnologías maduras existentes, "dijo Sanshui Xiao, profesor asociado de la Universidad Técnica de Dinamarca.

Para hacerlo Xiao, Wang y sus colaboradores se inspiraron en desarrollos recientes en el Centro de Grafeno Nanoestructurado (CNG) de la universidad, donde demostraron un método de autoensamblaje que dio como resultado grandes matrices de nanoestructuras de grafeno. Su método utiliza principalmente la geometría para reforzar los efectos del plasmón de grafeno en longitudes de onda más cortas al disminuir el tamaño de las estructuras de grafeno.

Usando máscaras litográficas preparadas por un método de autoensamblaje basado en copolímeros de bloques, los investigadores crearon matrices de nanodiscos de grafeno. Controlaron el tamaño final de los discos exponiendo la matriz a plasma de oxígeno que grabó los discos, reduciendo el diámetro medio a aproximadamente 18 nm. Esto es aproximadamente 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

La matriz de discos de aproximadamente 18 nm, resultante de 10 segundos de grabado con plasma de oxígeno, mostró una resonancia clara con luz de longitud de onda de 2 micrómetros, la resonancia de longitud de onda más corta jamás observada en plasmones de grafeno.

Una suposición podría ser que tiempos de grabado más largos o máscaras litográficas más finas, y por lo tanto discos más pequeños, daría lugar a longitudes de onda aún más cortas. En general, esto es cierto, pero a 18 nm los discos ya comienzan a requerir consideración de detalles atómicos y efectos cuánticos.

En lugar de, el equipo planea sintonizar las resonancias de plasmón de grafeno a escalas más pequeñas en el futuro utilizando métodos de compuerta eléctrica, donde la concentración local de electrones y el perfil del campo eléctrico alteran las resonancias.

Xiao dijo:"Para impulsar aún más los plasmones de grafeno a longitudes de onda más cortas, planeamos usar puerta eléctrica. En lugar de discos de grafeno, Se elegirán antídotos de grafeno (es decir, láminas de grafeno con orificios regulares) porque es fácil implementar una técnica de compuerta trasera ".

También existen límites fundamentales para la física que evitan acortar la longitud de onda de resonancia del plasmón de grafeno con más grabado. "Cuando la longitud de onda se acorta, la transición entre bandas pronto jugará un papel clave, conduciendo a la ampliación de la resonancia. Debido al débil acoplamiento de la luz con los plasmones de grafeno y este efecto de ampliación, será difícil observar la característica de resonancia, "Explicó Xiao.