p Pesquisadores russos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) e do Instituto Valiev de Física e Tecnologia demonstraram a absorção ressonante da radiação terahertz no grafeno disponível comercialmente. Este é um passo importante para projetar detectores terahertz eficientes para permitir uma Internet mais rápida e uma substituição segura para varreduras corporais de raios-X. Os resultados da pesquisa foram publicados em Revisão Física Aplicada . p Optoeletrônica de grafeno

p Já que Andre Geim e Kostya Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física de 2010 por estudar as propriedades eletrônicas únicas do grafeno, o interesse por este material nunca diminuiu. O grafeno é verdadeiramente bidimensional:consiste em uma camada de carbono com um átomo de espessura, que é uma das razões pelas quais suas propriedades são tão surpreendentes. É fino, mas mecanicamente forte, impermeável até mesmo aos átomos de hélio, e conduz eletricidade e calor extremamente bem. A alta mobilidade dos elétrons no grafeno o torna um material promissor para fotodetectores ultrarrápidos, incluindo aqueles que operam na faixa de terahertz.

p Radiação THz, também conhecido como ondas T, é igualmente difícil de gerar e detectar. Isso deu origem à noção de uma "lacuna de terahertz, "que se refere à banda de frequência de aproximadamente 0,1-10 THz no espectro eletromagnético. Não há dispositivos eficientes para gerar e detectar radiação nesta faixa. No entanto, As ondas T são muito importantes para a humanidade:elas não prejudicam o corpo e, portanto, podem substituir os raios X em exames médicos. Também, As ondas T podem tornar o Wi-Fi muito mais rápido e desbloquear uma banda de radiação cósmica mal estudada para pesquisas astronômicas.

p Apesar do grande potencial do grafeno para fotodetecção, sua monocamada absorve por si só cerca de 2,3% da radiação externa, o que não é suficiente para uma detecção confiável. Uma maneira de contornar isso é localizar fortemente o campo próximo ao grafeno, forçando uma onda eletromagnética a se acoplar aos elétrons do grafeno e excitar as oscilações ressonantes. A onda coletiva resultante do campo eletromagnético e dos elétrons de condução é conhecida como plasmon de superfície. O fenômeno correspondente de ressonância de plasmon é a absorção de luz aumentada devido à excitação das ondas de plasmon de superfície.

p Infelizmente, este fenômeno não é observado em uma folha contínua de um condutor iluminado por ondas planas. O comprimento de onda do plasmão é muito curto em comparação com o do fóton, é por isso que essas duas ondas dificilmente podem ser sincronizadas. Para lidar com essa disparidade, uma grade de metal é colocada acima do filme de grafeno. Ele se assemelha a um minúsculo pente com dentes separados por menos de um micrômetro.

p Grafeno:Expectativas vs. realidade

p Dezenas de técnicas estão disponíveis para a produção de grafeno. Eles diferem em termos de qualidade do produto final e intensidade de trabalho. Os pesquisadores que elogiam a alta mobilidade do elétron no grafeno muitas vezes minimizam a dificuldade de manufatura desse material.

p O grafeno da mais alta qualidade é produzido por esfoliação mecânica. Isso envolve colocar um pedaço de grafite entre duas fitas adesivas, que então arranca camadas progressivamente mais finas em várias iterações. Em algum ponto, fragmentos de grafeno, isto é, grafite monocamada - emergir. Esse grafeno "feito à mão" tem as melhores características para dispositivos aplicados, como o detector de onda T ressonante baseado em grafeno encapsulado criado por pesquisadores do MIPT, Universidade Estadual Pedagógica de Moscou, e a Universidade de Manchester. Infelizmente, flocos de grafeno fabricados por esfoliação mecânica têm apenas micrômetros de diâmetro, leva vários meses para produzir, e acabam sendo muito caros para o design de dispositivos seriais.

p Existe uma técnica alternativa mais fácil e escalonável para a síntese de grafeno, chamada deposição química de vapor (CVD). Envolve gases em decomposição - normalmente, uma mistura de metano, hidrogênio, e argônio - em uma fornalha especial. O processo leva à formação de um filme de grafeno sobre um substrato de cobre ou níquel. O grafeno resultante tem características mais pobres e mais defeitos do que o esfoliado mecanicamente. Mas o CVD é atualmente a tecnologia mais adequada para aumentar a produção de dispositivos.

p Os físicos russos decidiram testar se o grafeno comercial é bom o suficiente para a excitação de ressonância de plasmon THz, o que o tornaria um material válido para detectores de ondas T.

p "Na realidade, um filme de grafeno produzido por CVD não é homogêneo. Como um policristal, consiste em numerosos grãos mesclados. Cada um é uma região ordenada com um padrão atômico completamente simétrico. Limites de grãos, junto com defeitos, tornam o trabalho com esse grafeno longe de ser fácil, "O co-autor do estudo e estudante de graduação do MIPT Elena Titova disse.

p A equipe levou mais de um ano para dominar o trabalho com grafeno CVD no Centro de Instalações Compartilhadas de Pesquisa do Instituto. Enquanto isso, os colegas do departamento teórico do laboratório estavam convencidos de que nenhuma ressonância de plasmon seria observada. A razão é que a visibilidade da ressonância é determinada pelo chamado fator de qualidade, ou seja, quantos períodos o campo passa antes que o elétron encontre um defeito de rede. Estimativas teóricas previram um fator Q muito baixo, limitado por freqüentes colisões de defeitos de elétrons no grafeno CVD. Dito isto, a alta mobilidade de elétrons no grafeno emerge não devido a colisões de elétrons infrequentes, mas devido a uma baixa massa de elétrons, o que permite sua rápida aceleração para uma alta velocidade.

p Teoria e experimento

p Apesar das previsões teóricas pessimistas, os autores do artigo decidiram ainda fazer o experimento. Sua resolução foi recompensada:o espectro de absorção exibiu os picos indicativos de ressonância de plasmon em grafeno sintetizado por CVD.

p "O fato é que nem todos os defeitos são iguais, e os elétrons colidem com diferentes defeitos em medições de corrente contínua e medições de absorção de THz, "comenta o supervisor de pesquisa, Dmitry Svintsov, que chefia o Laboratório MIPT de Materiais 2-D para Optoeletrônica. "Em um experimento DC, um elétron inevitavelmente encontrará limites de grão no caminho de um contato elétrico para o outro. Mas quando exposto a ondas T, ele irá flutuar principalmente dentro de um único grão, longe de seus limites. Isso significa que os defeitos que prejudicam a condutividade DC são, na verdade, 'seguros' para a detecção da onda T. "

p Um outro mistério tinha a ver com a frequência da excitação ressonante do plasmon, que discordou das teorias previamente existentes. Acabou por estar relacionado com a geometria da grade de metal de uma forma inesperada. A equipe descobriu que, quando posicionada perto do grafeno, a grade (representada em laranja na figura 1) modificou a distribuição do campo de plasmon. Isso levou à localização do plasmon sob os "dentes do pente, "cujas bordas agiram como espelhos para plasmons. Os pesquisadores formularam uma teoria muito simples que descreve o fenômeno com base em uma analogia com o modelo de ligação forte da física do estado sólido. A teoria reproduz bem os dados experimentais sem recorrer a parâmetros de ajuste e pode ser usado para otimizar futuros detectores de ondas T.