Une équipe de recherche internationale a étudié pour la première fois les propriétés optiques du graphène nanoporeux tridimensionnel sur la ligne de lumière infrarouge IRIS de l'anneau de stockage d'électrons BESSY II. Les expériences montrent que les excitations plasmoniques (oscillations de la densité de charge) dans ce nouveau matériau peuvent être contrôlées avec précision par la taille des pores et par l'introduction d'impuretés atomiques. Cela pourrait faciliter la fabrication de capteurs chimiques hautement sensibles.

Le carbone est un élément très polyvalent. Il ne forme pas seulement des diamants, graphite, et du charbon, mais peut aussi prendre une forme plane comme une matrice hexagonale - le graphène. Ce materiel, constitué d'une seule couche atomique, possède de nombreuses propriétés extrêmes. Il est très conducteur, optiquement transparent, et est mécaniquement flexible ainsi que capable de supporter des charges. André Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique 2010 pour la découverte de cette forme exotique de carbone. Et tout récemment, une équipe japonaise a réussi à empiler des couches de graphène bidimensionnelles dans une architecture tridimensionnelle avec des pores de taille nanométrique.

Plasmons accordables

Une équipe de recherche dirigée par un groupe de l'Université Sapienza de Rome a pour la première fois effectué une étude détaillée des propriétés optiques du graphène 3D à BESSY II. L'équipe a pu déterminer à partir des données comment les oscillations de densité de charge, connu sous le nom de plasmons, propager dans le graphène tridimensionnel. Ce faisant, ils ont déterminé que ces plasmons suivent les mêmes lois physiques que le graphène 2D. Cependant, la fréquence des plasmons dans le graphène 3D peut être contrôlée très précisément, soit en introduisant des impuretés atomiques (dopage), par la taille des nanopores, ou en attachant des molécules spécifiques de certaines manières au graphène. De cette façon, le nouveau matériau pourrait également se prêter à la fabrication de capteurs chimiques spécifiques, comme l'écrivent les auteurs dans Communication Nature . En outre, le nouveau matériau est intéressant en tant que matériau d'électrode pour l'emploi dans les cellules solaires.

Avantages apportés par la ligne de lumière IRIS

Les chercheurs ont utilisé la ligne de lumière IRIS de la source synchrotron BESSY II à Berlin à leur avantage pour leurs investigations. L'infrarouge large bande y est disponible, ce qui facilite notamment l'analyse spectroscopique de nouveaux matériaux à l'aide d'un rayonnement térahertz. « Un mode de fonctionnement particulier de l'anneau de stockage BESSY II appelé low-alpha nous a permis de mesurer la conductivité optique du graphène tridimensionnel avec un rapport signal sur bruit particulièrement élevé. C'est difficilement possible avec les méthodes standards, surtout dans la région térahertz. Cependant, c'est précisément cette région qui est importante pour observer les propriétés physiques critiques", dit le Dr Ulrich Schade, chef de groupe à la ligne infrarouge.