Les propriétés uniques du graphène peuvent être à la fois une bénédiction et une malédiction pour les chercheurs, en particulier à ceux à l'intersection des applications optiques et électroniques. Ces feuilles épaisses à un seul atome comportent des électrons très mobiles sur leurs profils flexibles, ce qui en fait d'excellents conducteurs, mais en général, les feuilles de graphène n'interagissent pas efficacement avec la lumière.

Problématique pour la lumière de longueur d'onde plus courte, photons dans le proche infrarouge du spectre, où les applications de télécommunication deviennent réalisables. Dans un article publié cette semaine dans la revue Lettres d'optique , de la Société d'optique (OSA), des chercheurs de l'Université technique du Danemark ont ​​démontré, pour la première fois, amélioration efficace de l'absorption à une longueur d'onde de 2 micromètres par le graphène, spécifiquement par les plasmons de disques de graphène à l'échelle nanométrique.

Tout comme les ondulations de l'eau résultant de l'énergie d'un caillou tombé, des oscillations électroniques peuvent survenir dans les électrons de conduction en mouvement libre en absorbant l'énergie lumineuse. Le collectif qui en résulte, les mouvements cohérents de ces électrons sont appelés plasmons, qui servent également à amplifier la force du champ électrique de la lumière absorbée à proximité immédiate. Les plasmons sont de plus en plus courants dans diverses applications optoélectroniques où des métaux hautement conducteurs peuvent être facilement intégrés.

Plasmons de graphène, cependant, face à un ensemble supplémentaire de défis inconnus des plasmons des métaux en vrac. L'un de ces défis est la longueur d'onde relativement longue nécessaire pour les exciter. De nombreux efforts tirant parti des effets d'amélioration des plasmons sur le graphène se sont révélés prometteurs, mais pour une lumière basse consommation.

"La motivation de notre travail est de pousser les plasmons de graphène à des longueurs d'onde plus courtes afin d'intégrer les concepts de plasmons de graphène aux technologies matures existantes, " dit Sanshui Xiao, professeur agrégé de l'Université technique du Danemark.

Faire cela, Xiao, Wang et leurs collaborateurs se sont inspirés des récents développements du Centre de graphène nanostructuré (CNG) de l'université, où ils ont démontré une méthode d'auto-assemblage résultant en de grands réseaux de nanostructures de graphène. Leur méthode utilise principalement la géométrie pour renforcer les effets de plasmon de graphène à des longueurs d'onde plus courtes en diminuant la taille des structures de graphène.

A l'aide de masques lithographiques préparés par un procédé d'auto-assemblage à base de copolymère à blocs, les chercheurs ont fabriqué des réseaux de nanodisques de graphène. Ils ont contrôlé la taille finale des disques en exposant la matrice à un plasma d'oxygène qui a gravé les disques, ramenant le diamètre moyen à environ 18 nm. C'est environ 1000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.

La matrice de disques d'environ 18 nm, résultant de 10 secondes de gravure au plasma d'oxygène, a montré une résonance claire avec une lumière de longueur d'onde de 2 micromètres, la résonance de longueur d'onde la plus courte jamais observée dans les plasmons de graphène.

Une hypothèse pourrait être que des temps de gravure plus longs ou des masques lithographiques plus fins, et donc des disques plus petits, entraînerait des longueurs d'onde encore plus courtes. D'une manière générale, c'est vrai, mais à 18 nm, les disques commencent déjà à nécessiter la prise en compte des détails atomiques et des effets quantiques.

Au lieu, l'équipe prévoit d'ajuster les résonances du plasmon du graphène à plus petite échelle à l'avenir en utilisant des méthodes de déclenchement électrique, où la concentration locale d'électrons et le profil du champ électrique modifient les résonances.

Xiao a dit, "Pour pousser davantage les plasmons de graphène vers des longueurs d'onde plus courtes, nous prévoyons d'utiliser un portail électrique. Au lieu de disques de graphène, les antidotes de graphène (c'est-à-dire des feuilles de graphène avec des trous réguliers) seront choisis car il est facile de mettre en œuvre une technique de back-gating."

Il existe également des limites fondamentales à la physique qui empêchent de raccourcir la longueur d'onde de résonance du plasmon du graphène avec plus de gravure. "Quand la longueur d'onde devient plus courte, la transition interbande jouera bientôt un rôle clé, conduisant à un élargissement de la résonance. En raison du faible couplage de la lumière avec les plasmons de graphène et de cet effet d'élargissement, il deviendra difficile d'observer la fonction de résonance, " expliqua Xiao.