Un team di
ricercatori
internazionali, tra cui fisici del Cnr e del Politecnico di
Milano, ha mostrato
la capacità dei nanoribbons, ovvero strisce strettissime, di
grafene di
assorbire ed emettere luce grazie a stati quantistici detti
bieccitoni.
Un
risultato che rende più concreto l'uso industriale di questo
materiale e apre
la strada a laser basati su grafene e nuove tecnologie di
illuminazione. Lo
studio è pubblicato su Nature
Communications
I nanoribbons, nano-strisce sottilissime, di grafene
si rivelano
potenzialmente utili per produrre, rivelare e controllare la luce
nonché per
assorbirla e convertirla in energia - un uso promettente, ad
esempio, nel
settore fotovoltaico - grazie a fenomeni quantistici chiamati
bieccitoni.
È la
scoperta di un gruppo di ricercatori di due Istituti del Consiglio
nazionale
delle ricerche - Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e Istituto di
fotonica e
nanotecnologie (Ifn-Cnr) - in collaborazione con Politecnico di
Milano,
Università di Modena e Reggio Emilia e Max Planck Institute di
Mainz. Lo studio
è stato appena pubblicato su Nature
Communications.
A differenza dei
fogli di grafene
semi-metallici, i nanoribbons
di
grafene si comportano come semiconduttori con interessanti
proprietà ottiche. “Abbiamo
utilizzato il grafene ridotto in strisce larghe meno di cinque
nanometri, pari
a un decimillesimo dello spessore di un capello”, spiega Deborah
Prezzi di
Nano-Cnr di Modena.
“In tale
configurazione il
grafene diventa un semiconduttore, proprietà indispensabile per
applicazioni
ottiche, e al contempo mantiene molte caratteristiche del
materiale
semi-metallico. Il grafene così modificato potrebbe essere
impiegato in
dispositivi ottici, come LED, laser e celle solari”.
Il team di
scienziati ha studiato
i processi ultraveloci che avvengono nei nanoribbons
di grafene in seguito all’eccitazione con impulsi di luce laser
ultra brevi: “In questo caso un
elettrone del grafene viene eccitato e
si genera una lacuna di carica, tipica dei semiconduttori, che
si lega
all'elettrone a formare il cosiddetto eccitone”, continua
la
ricercatrice.
“Esperimenti e simulazioni mostrano che due eccitoni
possono
formare a loro volta degli aggregati fortemente legati, i
bieccitoni. Questi
effetti quantistici sono dovuti alle dimensioni estremamente
ridotte dei nanoribbons
- spessi un solo atomo e
larghi appena una decina, e sono alla base del funzionamento di
vari
dispositivi ottici, come ad esempio i processi di moltiplicazione
di carica
all'interno delle celle solari”.
L’esperimento è
stato possibile
grazie a un avanzato sistema di spettroscopia sviluppato nei
laboratori di
Ifn-Cnr e Politecnico di Milano che, spiega Giulio Cerullo del
Dipartimento di
Fisica del Politecnico, “permette di 'fotografare' fenomeni che
evolvono in
tempi che vanno dai femto- ai pico-secondi, vale a dire meno di un
millesimo di
miliardesimo di secondo. Abbiamo osservato che i bieccitoni si
formano molto
rapidamente e danno luogo ad emissione stimolata di luce con
grande efficienza.
Un risultato che potrebbe aprire la strada all’utilizzo dei nanoribbons di grafene
come materiali
attivi in laser, fotorivelatori e altri dispositivi ottici”.
Immagine: Formazione di
bieccitoni in un nanoribbon
di grafene ultrasottile
Roma, 12 aprile 2016
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