De unieke eigenschappen van grafeen kunnen zowel een zegen als een vloek zijn voor onderzoekers, vooral voor degenen op het snijvlak van optische en elektronische toepassingen. Deze enkel-atoom dikke platen hebben zeer mobiele elektronen op hun flexibele profielen, waardoor ze uitstekende geleiders zijn, maar over het algemeen gaan grafeenvellen niet efficiënt met licht om.

Problematisch voor licht met een kortere golflengte, fotonen in het nabij-infraroodgebied van het spectrum, waar telecommunicatietoepassingen realiseerbaar worden. In een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Optica Letters , van The Optical Society (OSA), onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken hebben aangetoond, Voor de eerste keer, efficiënte absorptieverbetering bij een golflengte van 2 micrometer door grafeen, specifiek door de plasmonen van grafeenschijven op nanoschaal.

Net als waterrimpelingen die voortkomen uit de energie van een vallende kiezelsteen, elektronische oscillaties kunnen ontstaan ​​in vrij bewegende geleidingselektronen door lichtenergie te absorberen. Het resulterende collectief, coherente bewegingen van deze elektronen worden plasmonen genoemd, die ook dienen om de sterkte van het elektrische veld van het geabsorbeerde licht op korte afstand te versterken. Plasmonen worden steeds gebruikelijker in verschillende opto-elektronische toepassingen waar sterk geleidende metalen gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd.

grafeenplasmonen, echter, geconfronteerd met een extra reeks uitdagingen die onbekend zijn voor de plasmonen van bulkmetalen. Een van deze uitdagingen is de relatief lange golflengte die nodig is om ze te prikkelen. Veel pogingen om te profiteren van de versterkende effecten van plasmonen op grafeen zijn veelbelovend gebleken, maar voor licht met een laag energieverbruik.

"De motivatie van ons werk is om grafeenplasmonen naar kortere golflengten te duwen om grafeenplasmonconcepten te integreren met bestaande volwassen technologieën, " zei Sanshui Xiao, universitair hoofddocent aan de Technische Universiteit van Denemarken.

Om dit te doen, Ciao, Wang en hun medewerkers lieten zich inspireren door recente ontwikkelingen in het Centre of Nanostructured Graphene (CNG) van de universiteit, waar ze een zelfassemblagemethode demonstreerden die resulteerde in grote reeksen grafeennanostructuren. Hun methode gebruikt voornamelijk geometrie om de grafeenplasmoneffecten bij kortere golflengten te versterken door de grootte van de grafeenstructuren te verkleinen.

Met behulp van lithografische maskers bereid door een op blokcopolymeer gebaseerde zelfassemblagemethode, de onderzoekers maakten arrays van grafeen-nanoschijven. Ze controleerden de uiteindelijke grootte van de schijven door de array bloot te stellen aan zuurstofplasma dat wegetst naar de schijven, waardoor de gemiddelde diameter wordt teruggebracht tot ongeveer 18 nm. Dit is ongeveer 1000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

De reeks van ongeveer 18 nm schijven, als gevolg van 10 seconden etsen met zuurstofplasma, vertoonde een duidelijke resonantie met licht met een golflengte van 2 micrometer, de kortste golflengteresonantie ooit waargenomen in grafeenplasmonen.

Een aanname zou kunnen zijn dat langere etstijden of fijnere lithografische maskers, en dus kleinere schijven, zou resulteren in nog kortere golflengten. Over het algemeen is dit waar, maar bij 18 nm beginnen de schijven al rekening te houden met atomaire details en kwantumeffecten.

In plaats daarvan, het team is van plan om in de toekomst grafeenplasmonresonanties op kleinere schaal af te stemmen met behulp van elektrische poortmethoden, waar de lokale concentratie van elektronen en elektrisch veldprofiel resonanties veranderen.

Xiao zei, "Om grafeenplasmonen verder naar kortere golflengten te duwen, we zijn van plan om elektrische poorten te gebruiken. In plaats van grafeenschijven, grafeen-antidots (d.w.z. grafeenvellen met regelmatige gaten) zullen worden gekozen omdat het gemakkelijk is om een ​​back-gating-techniek te implementeren."

Er zijn ook fundamentele grenzen aan de fysica die voorkomen dat de grafeenplasmonresonantiegolflengte korter wordt door meer te etsen. "Als de golflengte korter wordt, de interbandtransitie zal binnenkort een sleutelrol spelen, wat leidt tot verbreding van de resonantie. Door de zwakke koppeling van licht met grafeenplasmonen en dit verbredende effect, het zal moeilijk worden om de resonantiefunctie waar te nemen, ' legde Xiao uit.