L'absorption infrarouge due à la fois aux transitions électroniques et aux phonons dans des échantillons de graphène à quelques couches (3 à 6 couches) ayant un empilement de couches rhomboédrique (à gauche) et Bernal (à droite). La contribution hautement asymétrique des phonons près de 200 meV est le résultat du couplage entre les électrons et les phonons.
(Phys.org)—Depuis sa découverte en 2004, le graphène a été salué comme un "matériau merveilleux" en raison de ses propriétés presque incroyables. À seulement un atome d'épaisseur, une seule couche bidimensionnelle est plus résistante que le diamant, conduit mieux l'électricité que le cuivre, et conduit la chaleur mieux que n'importe quel matériau connu. Le treillis hexagonal en nid d'abeille qui compose le matériau permet une extrême flexibilité, mais en fait aussi le matériau le plus imperméable jamais trouvé, en fermant même les plus petits atomes d'hélium.
Et quand des feuilles de graphène sont empilées, le « graphène à quelques couches » résultant peut fonctionner soit comme un semi-métal, soit comme un semi-conducteur, selon l'ordre et l'épaisseur des couches.
Les études sur les effets de l'ordre d'empilement sur le graphène en sont à leurs balbutiements, mais des expériences récentes de scientifiques travaillant à la source de lumière synchrotron nationale du laboratoire national de Brookhaven ont fait la lumière sur la nature caméléonique de ce matériau.
Une équipe de scientifiques, dirigé par Tony Heinz de l'Université de Columbia, comparé l'absorption infrarouge d'échantillons de graphène à quelques couches empilés de deux manières :un motif ABA en zigzag appelé empilement de Bernal, dans lequel les couches supérieure et inférieure appariées prennent en sandwich une troisième couche qui est décalée de la longueur d'un atome ; et un motif ABC rhomboédrique où la couche supérieure est décalée d'une autre longueur d'atome par rapport à la feuille centrale de graphène.
Ce léger décalage dans la couche supérieure de graphène est tout ce qu'il faut pour faire changer les propriétés de base du matériau. L'équipe a découvert que la réorganisation des couches dans un ordre d'empilement ABC augmente considérablement la quantité de lumière infrarouge que le graphène à quelques couches absorbera dans des gammes de longueurs d'onde sélectives. C'est un peu comme si vous disposiez des blocs Lego dans différents motifs et constatiez qu'ils changeaient de couleur en conséquence.
En effet, les changements dans l'ordre d'empilement modifient la quantité d'états disponibles pour les électrons à habiter à la fois au repos et lorsqu'ils sont excités après avoir absorbé la lumière infrarouge. L'équipe a également découvert que les phonons - les vibrations mécaniques des atomes de carbone formant chaque feuille de graphène - sont également affectés par l'agencement d'empilement en raison de leur forte connexion avec les excitations électroniques. Lorsque l'absorption électronique augmente, l'absorption des phonons augmente également.
En utilisant NSLS, ils ont pu mesurer avec précision la quantité de lumière infrarouge que ces échantillons empilés différemment absorbaient. "Les échantillons de graphène à quelques couches que nous avons étudiés sont tous très petits, aussi petit que dix micromètres, " a déclaré le physicien de l'Université Columbia Zhiqiang Li. " Le rayonnement synchrotron est essentiel à nos mesures car il a une intensité très élevée et peut être focalisé sur un petit point de nos échantillons, qui permet des mesures infrarouges avec un bon rapport signal/bruit."
Li a déclaré que de nouvelles explorations des propriétés flexibles et contrôlables du graphène pourraient conduire à un large éventail d'applications en électronique et en photonique, comme des panneaux solaires ou des photo-détecteurs.
La recherche a été effectuée par des scientifiques de l'Université de Columbia, le Conseil national espagnol de la recherche, le Conseil national de la recherche d'Italie, Université de la Sapienza, Université Case Western Reserve, et Laboratoire national de Brookhaven.
