La capacité des matériaux métalliques ou semi-conducteurs à absorber, réfléchir et agir sur la lumière est d'une importance primordiale pour les scientifiques qui développent l'optoélectronique, des dispositifs électroniques qui interagissent avec la lumière pour effectuer des tâches. Les scientifiques de l'Université Rice ont maintenant mis au point une méthode pour déterminer les propriétés des matériaux atomiques minces qui promettent d'affiner la modulation et la manipulation de la lumière.

Les matériaux bidimensionnels sont un sujet de recherche brûlant depuis que le graphène, un réseau plat d'atomes de carbone, a été identifié en 2001. Depuis, les scientifiques se sont précipités pour développer, soit en théorie, soit en laboratoire, nouveaux matériaux 2-D avec une gamme d'optiques, propriétés électroniques et physiques.

Jusqu'à maintenant, il leur manquait un guide complet sur les propriétés optiques offertes par ces matériaux en tant que réflecteurs ultrafins, émetteurs ou absorbeurs.

Le théoricien des matériaux du laboratoire Rice Boris Yakobson a relevé le défi. Yakobson et ses co-auteurs, étudiant diplômé et auteur principal Sunny Gupta, la chercheuse postdoctorale Sharmila Shirodkar et le chercheur Alex Kutana, ont utilisé des méthodes théoriques de pointe pour calculer les propriétés optiques maximales de 55 matériaux 2-D.

"L'important maintenant que nous comprenons le protocole est que nous pouvons l'utiliser pour analyser n'importe quel matériau 2D, " a déclaré Gupta. " C'est un gros effort de calcul, mais maintenant il est possible d'évaluer n'importe quel matériau à un niveau quantitatif plus profond."

Leur travail, qui paraît ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano , détaille la transmittance des monocouches, absorbance et réflectance, propriétés qu'ils ont collectivement surnommées TAR. A l'échelle nanométrique, la lumière peut interagir avec les matériaux de manière unique, provoquant des interactions électron-photon ou déclenchant des plasmons qui absorbent la lumière à une fréquence et l'émettent à une autre.

La manipulation de matériaux 2D permet aux chercheurs de concevoir des dispositifs de plus en plus petits comme des capteurs ou des circuits pilotés par la lumière. Mais d'abord, il est utile de savoir à quel point un matériau est sensible à une longueur d'onde particulière de la lumière, de l'infrarouge aux couleurs visibles en passant par l'ultraviolet.

"Généralement, la sagesse commune est que les matériaux 2-D sont si minces qu'ils devraient sembler être essentiellement transparents, avec une réflexion et une absorption négligeables, " Yakobson a dit. " Étonnamment, nous avons constaté que chaque matériau a une signature optique expressive, une grande partie de la lumière d'une couleur particulière (longueur d'onde) étant absorbée ou réfléchie."

Les co-auteurs prévoient que les dispositifs de photodétection et de modulation et les filtres polarisants sont des applications possibles pour les matériaux 2D qui ont des propriétés optiques dépendantes de la direction. « Les revêtements multicouches pourraient offrir une bonne protection contre les rayonnements ou la lumière, comme des lasers, " dit Shirodkar. " Dans ce dernier cas, des films hétérostructurés (multicouches) - des revêtements de matériaux complémentaires - peuvent être nécessaires. Des intensités lumineuses plus élevées pourraient produire des effets non linéaires, et la comptabilisation de ceux-ci nécessitera certainement des recherches supplémentaires. »

Les chercheurs ont modélisé des piles 2D ainsi que des couches simples. "Les piles peuvent élargir la gamme spectrale ou apporter de nouvelles fonctionnalités, comme les polariseurs, ", a déclaré Kutana. "Nous pouvons envisager d'utiliser des modèles d'hétérostructure empilés pour stocker des informations ou même pour la cryptographie."

Parmi leurs résultats, les chercheurs ont vérifié que les empilements de graphène et de borophène reflètent fortement la lumière infrarouge moyenne. Leur découverte la plus frappante était qu'un matériau composé de plus de 100 couches de bore à un seul atome - qui n'aurait encore qu'environ 40 nanomètres d'épaisseur - réfléchirait plus de 99 % de la lumière de l'infrarouge à l'ultraviolet, surpassant le graphène dopé et l'argent en vrac.

Il y a aussi un avantage secondaire qui correspond à la sensibilité artistique de Yakobson. "Maintenant que nous connaissons les propriétés optiques de tous ces matériaux - les couleurs qu'ils reflètent et transmettent lorsqu'ils sont frappés par la lumière - nous pouvons penser à faire des vitraux de style Tiffany à l'échelle nanométrique, " dit-il. " Ce serait fantastique ! "