(Phys.org) - Desde sua descoberta em 2004, o grafeno foi aclamado como um "material maravilhoso" devido às suas propriedades quase inacreditáveis. Com apenas um átomo de espessura, uma única camada bidimensional é mais forte que o diamante, conduz eletricidade melhor do que cobre, e conduz o calor melhor do que qualquer material conhecido. A estrutura em favo de mel hexagonal que compõe o material permite extrema flexibilidade, mas também torna o material mais impermeável já encontrado, excluindo até mesmo os menores átomos de hélio.

E quando as folhas de grafeno são empilhadas, o "grafeno de poucas camadas" resultante pode funcionar como um semimetal ou um semicondutor, dependendo da ordem e espessura das camadas.

Os estudos dos efeitos da ordem de empilhamento no grafeno estão na infância relativa, mas experimentos recentes de cientistas que trabalham na Fonte de Luz Síncrotron Nacional no Laboratório Nacional de Brookhaven lançaram luz sobre a natureza camaleônica deste material.

Uma equipe de cientistas, liderado por Tony Heinz da Columbia University, comparou a absorção de infravermelho de amostras de grafeno de poucas camadas empilhadas de duas maneiras:um padrão ABA em zigue-zague denominado empilhamento Bernal, em que as camadas superior e inferior combinadas ensanduicham uma terceira camada que é compensada pelo comprimento de um átomo; e um padrão ABC romboédrico em que a camada superior é deslocada no comprimento de outro átomo da folha central de grafeno.

Essa ligeira mudança na camada superior de grafeno é tudo o que é necessário para fazer as propriedades básicas do material mudarem. A equipe descobriu que reorganizar as camadas em uma ordem de empilhamento ABC aumenta drasticamente a quantidade de luz infravermelha que o grafeno de poucas camadas irá absorver em faixas de comprimento de onda seletivas. É um pouco como se você organizasse os blocos de Lego em padrões diferentes e descobrisse que eles mudaram de cor como resultado.

Isso ocorre porque as mudanças na ordem de empilhamento alteram a quantidade de estados disponíveis para os elétrons habitarem em repouso e quando são excitados após absorver a luz infravermelha. A equipe também descobriu que os fônons - as vibrações mecânicas dos átomos de carbono que formam cada folha de grafeno - também são afetados pelo arranjo de empilhamento devido à sua forte conexão com as excitações eletrônicas. Quando a absorção eletrônica cresce, a absorção de fônons também cresce.

Usando NSLS, eles foram capazes de medir com precisão a quantidade de luz infravermelha que essas amostras empilhadas de forma diferente estavam absorvendo. "As amostras de grafeno de poucas camadas que estudamos são todas muito pequenas, tão pequeno quanto dez micrômetros de tamanho, "disse o físico da Universidade de Columbia Zhiqiang Li." A radiação síncrotron é crítica para nossas medições porque tem uma intensidade muito alta e pode ser focada em um pequeno ponto em nossas amostras, que permite medições infravermelhas com boa relação sinal-ruído. "

Li disse que novas explorações nas propriedades flexíveis e controláveis ​​do grafeno podem levar a uma ampla gama de aplicações em eletrônica e fotônica, como painéis solares ou fotodetectores.

A pesquisa foi realizada por cientistas da Universidade de Columbia, o Conselho Nacional de Pesquisa da Espanha, o Conselho Nacional de Pesquisa da Itália, Sapienza University, Case Western Reserve University, e Laboratório Nacional de Brookhaven.