Grafens unika egenskaper kan vara både en välsignelse och en förbannelse för forskare, särskilt till dem som möter optiska och elektroniska applikationer. Dessa enatomiga tjocka ark har mycket rörliga elektroner på sina flexibla profiler, gör dem till utmärkta dirigenter, men i allmänhet interagerar inte grafenark med ljus effektivt.

Problematiskt för ljus med kortare våglängd, fotoner i det nära infraröda området av spektrumet, där telekommunikationsapplikationer blir realiserbara. I en tidning som publicerades denna vecka i tidskriften Optik bokstäver , från The Optical Society (OSA), forskare vid Danmarks Tekniske Universitet har visat, för första gången, effektiv absorptionsförbättring vid en våglängd på 2 mikrometer med grafen, specifikt av plasmonerna av grafenskivor i nanoskala.

Ungefär som vattenkrusningar som uppstår från energin från en tappad sten, elektroniska oscillationer kan uppstå i fritt rörliga ledningselektroner genom att absorbera ljusenergi. Det resulterande kollektivet, koherenta rörelser av dessa elektroner kallas plasmoner, som också tjänar till att förstärka styrkan hos det absorberade ljusets elektriska fält i närheten. Plasmoner blir allt vanligare i olika optoelektroniska applikationer där högledande metaller lätt kan integreras.

Grafenplasmoner, dock, möta en extra uppsättning utmaningar som är obekanta för plasmoner av bulkmetaller. En av dessa utmaningar är den relativt långa våglängden som behövs för att excitera dem. Många ansträngningar att dra nytta av de förbättrande effekterna av plasmoner på grafen har visat lovande, men för lågenergiljus.

"Motivationen för vårt arbete är att driva grafenplasmoner till kortare våglängder för att integrera grafenplasmonkoncept med befintliga mogna teknologier, sa Sanshui Xiao, docent från Danmarks Tekniske Universitet.

Att göra så, Xiao, Wang och deras medarbetare tog inspiration från den senaste utvecklingen vid universitetets Center of Nanostructured Graphene (CNG), där de demonstrerade en självmonteringsmetod som resulterade i stora uppsättningar av grafennanostrukturer. Deras metod använder i första hand geometri för att stärka grafenplasmoneffekterna vid kortare våglängder genom att minska storleken på grafenstrukturerna.

Med hjälp av litografiska masker framställda med en blocksampolymerbaserad självmonteringsmetod, forskarna gjorde uppsättningar av grafen nanodiskar. De kontrollerade den slutliga storleken på skivorna genom att exponera arrayen för syreplasma som etsade bort vid skivorna, vilket sänker medeldiametern till cirka 18 nm. Detta är ungefär 1000 gånger mindre än bredden på ett människohår.

Arrayen med cirka 18 nm diskar, som ett resultat av 10 sekunders etsning med syreplasma, visade en tydlig resonans med 2 mikrometer våglängdsljus, den kortaste våglängdsresonansen som någonsin observerats i grafenplasmoner.

Ett antagande kan vara att längre etstider eller finare litografiska masker, och därför mindre diskar, skulle resultera i ännu kortare våglängder. Generellt sett är detta sant, men vid 18 nm börjar skivorna redan att kräva hänsyn till atomära detaljer och kvanteffekter.

Istället, teamet planerar att ställa in grafenplasmonresonanser i mindre skalor i framtiden med hjälp av elektriska grindmetoder, där den lokala koncentrationen av elektroner och elektriska fältprofiler förändrar resonanser.

Xiao sa, "För att ytterligare driva grafenplasmoner till kortare våglängder, vi planerar att använda elektriska grindar. Istället för grafenskivor, grafenmotgifter (d.v.s. grafenark med vanliga hål) kommer att väljas eftersom det är lätt att implementera en back-gating-teknik."

Det finns också grundläggande begränsningar för fysiken som förhindrar att grafenplasmonresonansvåglängden förkortas med mer etsning. "När våglängden blir kortare, mellanbandsövergången kommer snart att spela en nyckelroll, leder till breddning av resonansen. På grund av svag koppling av ljus med grafenplasmoner och denna breddande effekt, det blir svårt att observera resonansfunktionen, " Xiao förklarade.