p (Phys.org) - Uma voltagem elétrica aplicada pode fazer com que uma fatia centimétrica quadrada de grafeno mude e controle a transmissão da radiação eletromagnética com comprimentos de onda do terahertz ao infravermelho médio. p O experimento da Rice University avança a ciência da manipulação de comprimentos de onda de luz específicos de maneiras que podem ser úteis em dispositivos eletrônicos avançados e sensores optoeletrônicos.

p Em trabalhos anteriores, o laboratório Rice do físico Junichiro Kono encontrou uma maneira de usar matrizes de nanotubos de carbono como um polarizador terahertz quase perfeito. Desta vez, a equipe liderada por Kono está trabalhando em um nível ainda mais básico; os pesquisadores estão conectando uma folha de grafeno - a forma de carbono com um átomo de espessura - para aplicar uma voltagem elétrica e, assim, manipular o que é conhecido como energia de Fermi. Este, por sua vez, permite que o grafeno sirva como peneira ou obturador de luz.

p A descoberta de Kono e seus colegas do Rice e do Instituto de Engenharia de Laser da Universidade de Osaka foi relatada online este mês no jornal American Chemical Society Nano Letras .

p No grafeno, “Os elétrons se movem como fótons, ou luz. É o material mais rápido para mover elétrons em temperatura ambiente, ”Disse Kono, professor de engenharia elétrica e da computação e de física e astronomia. Ele observou que muitos grupos investigaram as propriedades elétricas exóticas do grafeno em frequências zero ou baixas.

p “Tem havido previsões teóricas sobre as propriedades incomuns de terahertz e infravermelho médio dos elétrons no grafeno na literatura, mas quase nada foi feito neste intervalo experimentalmente, ”Kono disse.

p Chave para o novo trabalho, ele disse, são as palavras "área grande" e "fechado".

p “Grande porque o infravermelho e o terahertz têm comprimentos de onda longos e são difíceis de focar em uma área pequena, ”Kono disse. “Gated significa simplesmente que colocamos eletrodos, e aplicando uma voltagem entre os eletrodos e o substrato (de silício), podemos sintonizar a energia Fermi. ”

p A energia de Fermi é a energia do estado quântico mais ocupado de elétrons dentro de um material. Em outras palavras, define uma linha que separa os estados quânticos ocupados por elétrons dos estados vazios. “Dependendo do valor da energia de Fermi, o grafeno pode ser tipo p (positivo) ou tipo n (negativo), Disse ele.

p Fazer medições precisas exigiu o que é considerado no mundo nano uma folha muito grande de grafeno, embora fosse um pouco menor que um selo postal. O centímetro quadrado de carbono com a espessura de um átomo foi cultivado no laboratório do químico James Tour, da Rice, um co-autor do artigo, e eletrodos de ouro foram colocados nos cantos.

p Aumentar ou diminuir a voltagem aplicada ajustou a energia de Fermi na folha de grafeno, que por sua vez mudou a densidade de portadores livres que são bons absorvedores de ondas terahertz e infravermelho. Isso deu à folha de grafeno a capacidade de absorver alguns ou todos os terahertz ou ondas infravermelhas ou deixá-los passar. Com um espectrômetro, a equipe descobriu que a transmissão terahertz atingiu seu pico em energia Fermi quase zero, cerca de mais 30 volts; com mais ou menos voltagem, o grafeno ficou mais opaco. Para infravermelho, o efeito foi o oposto, ele disse, já que a absorção era grande quando a energia de Fermi estava perto de zero.

p “Este experimento é interessante porque nos permite estudar as propriedades básicas de terahertz de portadores livres com elétrons (fornecidos pela tensão da porta) ou sem, ”Kono disse. A pesquisa estendeu-se à análise dos dois métodos pelos quais o grafeno absorve luz:através da absorção interband (para infravermelho) e intrabanda (para terahertz). Kono e sua equipe descobriram que variar o comprimento de onda da luz contendo frequências terahertz e infravermelho possibilitou a transição da absorção de um para o outro. “Quando variamos a energia do fóton, podemos fazer uma transição suave do regime terahertz intrabanda para o infravermelho dominado interbanda. Isso nos ajuda a entender a física subjacente ao processo, Disse ele.

p Eles também descobriram que o recozimento térmico - aquecimento - do grafeno o limpa de impurezas e altera sua energia de Fermi, ele disse.

p Kono disse que seu laboratório começará a construir dispositivos enquanto investiga novas maneiras de manipular a luz, talvez combinando grafeno com elementos plasmônicos que permitiriam um grau de controle mais preciso.

p Os co-autores do artigo incluem Lei Ren, ex-alunos de pós-graduação da Rice, Jun Yao e Zhengzong Sun; Qi Zhang, estudante de pós-graduação de arroz; Pesquisadores de pós-doutorado em arroz Zheng Yan e Sébastien Nanot; Zhong Jin, ex-pesquisador de pós-doutorado de Rice; e o estudante de graduação Ryosuke Kaneko, o professor assistente Iwao Kawayama e o professor Masayoshi Tonouchi do Laser Engineering Institute, Universidade de Osaka.