Исследователи выяснили, как различные физические манипуляции с графеном, такие как наслоение и скручивание, влияют на его оптические свойства и проводимость.
Что касается электропроводящих наноматериалов, графен, который прочнее и легче стали и более электропроводен, чем медь, зарекомендовал себя как отличный выбор для широкого спектра технологий.
Физики работают над тем, чтобы узнать больше об этой впечатляющей форме встречающегося в природе элементарного углерода, который состоит из одного плоского слоя атомов углерода, расположенных в повторяющейся гексагональной решетке.
Теперь исследователи из физического факультета Университета штата Флорида и Национальной лаборатории сильных магнитных полей, расположенной в штаб-квартире FSU, опубликовали новые результаты, которые показывают, как различные физические манипуляции с графеном, такие как наслоение и скручивание, влияют на его оптические свойства и проводимость. Исследование было опубликовано в журнале Nano Letters .
Группа ученых под руководством доцента Гуансина Ни, а также доцента Киприана Левандовски и аспиранта-исследователя Таи Уилсона обнаружили, что проводимость скрученного двухслойного графена не сильно зависит от физических или химических манипуляций, а скорее от того, как изменяется мельчайшая геометрическая структура материала при межслоевом скручивании. Это открытие открывает возможности для дополнительных исследований того, как более низкие температуры и частоты влияют на свойства графена.
«Этот конкретный путь исследования начался как попытка объяснить некоторые оптические свойства скрученного двухслойного графена, поскольку этот материал уже был визуализирован с помощью сканирующих оптических микроскопов ближнего поля, но не таким образом, чтобы сравнивать различные углы скручивания», — сказал Уилсон. «Мы хотели изучить этот материал с этой точки зрения».
Для проведения исследования группа сделала снимки плазмонов — крошечных волн энергии, возникающих при совместном движении электронов в материале, — которые появлялись в различных областях скрученного двухслойного графена.
«Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля по сути освещает образец инфракрасным светом определенной длины волны, а рассеянный свет собирается обратно, формируя наномасштабное изображение, которое находится намного ниже дифракционного предела», — сказал Уилсон. «Ключевым моментом здесь является то, что он включает иглу, которая существенно усиливает связь света с веществом, позволяя нам видеть эти плазмоны с помощью наносвета».
Команда проанализировала границы зерен или дефекты в кристаллической структуре на полученных изображениях, чтобы идентифицировать различные области скрученного двухслойного графена. Эти области, содержащие плазмоны, вызвали интерес команды, поскольку два слоя атомов углерода были скручены под дискретными углами в каждом, в дополнение к тому, что они сами были скручены относительно слоя гексагонального нитрида бора — прозрачного слоистого кристалла — расположенного под ними.
Физики называют геометрический рисунок, который получается при наложении набора прямых или изогнутых линий на другой набор, «муаровым узором», что происходит от французского слова «поливать». Скручивание двухслойного графена и нитрида бора привело к образованию так называемой структуры «двойного муара», двух слоев узоров, также известной как «сверхрешетка».
«План состоял в том, чтобы сравнить отраженный сигнал ближнего поля, который мы получили для каждого домена, тогда как большинство предыдущих исследований графена рассматривали только один угол поворота, и никогда ранее не рассматривали эти системы «муара муара»», — сказал Уилсон.
Группа ученых обнаружила, что оптическая проводимость скрученного двухслойного графена с нитридом бора не сильно меняется с углом поворота для углов менее двух градусов, даже когда графен электрически легирован и подвергается воздействию изменяющихся частот инфракрасного света.
«Это говорит нам о том, что оптоэлектронные свойства этого супермуарового материала не зависят от химического легирования или угла поворота скрученного двухслойного графена, а вместо этого больше зависят от самой супермуаровой структуры и того, как она влияет на электронные зоны в материале, что позволяет улучшить оптическую проводимость», — сказал Уилсон.
Левандовски добавил, что этот результат является захватывающим, поскольку он подчеркивает потенциал многослойных муаровых систем в создании материалов с оптическими свойствами «по требованию».
«Метод измерения, используемый группой профессора Ни, позволяет нам исследовать локальный оптический отклик 2D-систем, дополняя другие методы локального измерения, обычно используемые для 2D-материалов», — сказал он. «Интересно, что в сочетании с сопутствующим теоретическим моделированием представленное измерение доказывает, как 2D-система может пассивно достигать почти однородного оптического отклика в широком диапазоне частот света, без необходимости активной электронной обратной связи».
Результаты работы команды указывают на существенное влияние геометрических релаксаций в решетках с двойным муаром, что помогает исследователям лучше понять, как наноматериалы, такие как графен, могут реагировать на различные манипуляции. В свою очередь, эта информация может быть использована для того, чтобы помочь ученым создавать желаемые оптические свойства — например, повышенную проводимость — в материале, что позволяет инновационные достижения в муаровой оптоэлектронике, включая технологии тепловидения и оптическое переключение в компьютерных процессорах.
«Это открывает путь для нашего непрерывного исследования различных нанооптических и электронных явлений, которые недостижимы с помощью альтернативной дифракционно-ограниченной оптики дальнего поля», — сказал Ни.
Оригинал статьи можно прочитать здесь.
Больше информации о самых интересных научных открытиях и удивительных исторических фактах читайте на нашем сайте «Совятня».
Интересные новости, советы по здоровью, ответы на популярные вопросы и цитаты великих ученых ищите в Telegram.
Фото: Frepik
