Een internationaal onderzoeksteam heeft voor het eerst de optische eigenschappen onderzocht van driedimensionaal nanoporeus grafeen bij de IRIS-infraroodbundellijn van de BESSY II elektronenopslagring. De experimenten tonen aan dat de plasmonische excitaties (oscillaties van de ladingsdichtheid) in dit nieuwe materiaal nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd door de poriegrootte en door atomaire onzuiverheden te introduceren. Dit zou de fabricage van zeer gevoelige chemische sensoren kunnen vergemakkelijken.

Koolstof is een zeer veelzijdig element. Het vormt niet alleen diamanten, grafiet, en kolen, maar kan ook een vlakke vorm aannemen als een hexagonale matrix - grafeen. Dit materiaal, bestaande uit slechts een enkele atoomlaag, bezit veel extreme eigenschappen. Het is zeer geleidend, optisch transparant, en is mechanisch flexibel en bestand tegen belastingen. André Geim en Konstantin Novoselov ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontdekking van deze exotische vorm van koolstof. En onlangs, een Japans team is erin geslaagd om tweedimensionale grafeenlagen te stapelen in een driedimensionale architectuur met poriën van nanometerformaat.

Afstembare plasmonen

Een onderzoeksteam van een groep aan de Sapienza Universiteit in Rome heeft nu voor het eerst een gedetailleerd onderzoek gedaan naar de optische eigenschappen van 3D-grafeen bij BESSY II. Het team kon uit de gegevens vaststellen hoe oscillaties in de ladingsdichtheid, bekend als plasmonen, zich voortplanten in driedimensionaal grafeen. Daarbij, ze stelden vast dat deze plasmonen dezelfde natuurkundige wetten volgen als 2D-grafeen. Echter, de frequentie van de plasmonen in 3D-grafeen kan zeer nauwkeurig worden gecontroleerd, hetzij door het introduceren van atomaire onzuiverheden (doping), door de grootte van de nanoporiën, of door specifieke moleculen op bepaalde manieren aan het grafeen te hechten. Op deze manier, het nieuwe materiaal zou zich ook kunnen lenen voor de fabricage van specifieke chemische sensoren, zoals de auteurs schrijven in Natuurcommunicatie . In aanvulling, het nieuwe materiaal is interessant als elektrodemateriaal voor toepassing in zonnecellen.

Voordelen van de IRIS-bundellijn

De onderzoekers gebruikten de IRIS-bundellijn bij de BESSY II-synchrotronbron in Berlijn in hun voordeel voor hun onderzoek. Daar is breedband-infrarood beschikbaar, wat vooral spectroscopische analyse van nieuwe materialen vergemakkelijkt met behulp van terahertz-straling. "Een speciale bedrijfsmodus van de BESSY II-opslagring, low-alpha genaamd, stelde ons in staat om de optische geleidbaarheid van driedimensionaal grafeen te meten met een bijzonder hoge signaal-ruisverhouding. Dit is nauwelijks mogelijk met standaardmethoden, vooral in de terahertz-regio. Echter, het is precies deze regio die belangrijk is voor het observeren van kritische fysieke eigenschappen", zegt dr. Ulrich Schade, hoofd van de groep bij de infraroodstraal.