Les chercheurs de Rice et d'Osaka ont mis au point une méthode simple pour trouver des contaminants sur du graphène d'épaisseur atomique. En mettant du graphène sur une couche de phosphure d'indium, qui émet des ondes térahertz lorsqu'il est excité par une impulsion laser, ils peuvent mesurer et cartographier les changements de sa conductivité électrique. Crédit :Universités Rice et Osaka
Le graphène peut être dur, mais ceux qui le manient feraient mieux d'être tendres. L'environnement entourant le matériau de carbone à épaisseur atomique peut influencer ses performances électroniques, selon des chercheurs des universités Rice et Osaka qui ont mis au point un moyen simple de détecter les contaminants.
Parce qu'il est si facile d'introduire accidentellement des impuretés dans le graphène, Les laboratoires dirigés par les physiciens Junichiro Kono de Rice et Masayoshi Tonouchi de l'Institut d'ingénierie laser d'Osaka ont découvert un moyen de détecter et d'identifier des molécules déplacées à sa surface grâce à la spectroscopie térahertz.
Ils s'attendent à ce que la découverte soit importante pour les fabricants qui envisagent l'utilisation du graphène dans les appareils électroniques.
La recherche a été publiée cette semaine par la revue en ligne en libre accès de Nature Rapports scientifiques . Il a été rendu possible grâce au programme Rice-based NanoJapan, grâce auquel des étudiants américains effectuent des stages de recherche d'été dans des laboratoires japonais.
Même une seule molécule d'une substance étrangère peut contaminer suffisamment le graphène pour affecter ses propriétés électriques et optiques, dit Kono. Malheureusement (et peut-être ironiquement), qui comprend les contacts électriques.
"Traditionnellement, pour mesurer la conductivité dans un matériau, il faut attacher des contacts puis faire des mesures électriques, " dit Kono, dont le laboratoire est spécialisé dans la recherche térahertz. "Mais notre méthode est sans contact."
Une carte d'amplitude du rayonnement térahertz émis par le phosphure d'indium recouvert de graphène montre où les molécules d'oxygène se sont déposées à la surface après une exposition à l'air pendant quelques semaines. Le bleu au point 1 indique une polarisation élevée due à l'adsorption des molécules d'oxygène, tandis que l'orange au point 2 est électroniquement équivalent au phosphure d'indium nu. La recherche menée par les universités Rice et Osaka permet un moyen simple de repérer les contaminants sur le graphène. Crédit :Universités Rice et Osaka
C'est possible parce que le phosphure d'indium composé émet des ondes térahertz lorsqu'il est excité. Les chercheurs l'ont utilisé comme substrat pour le graphène. Frapper le matériau combiné avec des impulsions femtosecondes d'un laser proche infrarouge a incité le phosphure d'indium à émettre des térahertz à travers le graphène. Des imperfections aussi petites qu'une molécule d'oxygène parasite sur le graphène ont été détectées par un spectromètre.
"Le changement du signal térahertz dû à l'adsorption des molécules est remarquable, " a déclaré Kono. " Non seulement l'intensité, mais aussi la forme d'onde du rayonnement térahertz émis change totalement et dynamiquement en réponse à l'adsorption et à la désorption moléculaires. La prochaine étape consiste à explorer la sensibilité ultime de cette technique unique de détection de gaz."
La technique peut mesurer à la fois les emplacements des molécules contaminantes et les changements au fil du temps. "Le laser élimine progressivement les molécules d'oxygène du graphène, changer sa densité, et nous pouvons le voir, " dit Kono.
L'expérience consistait à cultiver du graphène vierge par dépôt chimique en phase vapeur et à le transférer sur un substrat de phosphure d'indium. Les impulsions laser ont généré des salves cohérentes de rayonnement térahertz à travers un champ électrique de surface intégré du substrat de phosphure d'indium qui a changé en raison du transfert de charge entre le graphène et les molécules contaminantes. L'onde térahertz, lorsqu'il est visualisé, reflète le changement.
Les résultats expérimentaux sont un avertissement pour les fabricants d'électronique. "Pour toutes les futures conceptions d'appareils utilisant du graphène, il faut tenir compte de l'influence de l'environnement, " a déclaré Kono. Le graphène sous vide ou pris en sandwich entre des couches non contaminantes serait probablement stable, mais l'exposition à l'air le contaminerait, il a dit.
Les laboratoires Rice et Osaka poursuivent leur collaboration sur un projet de mesure de la conductivité térahertz du graphène sur différents substrats, il a dit.
