Promettenti sviluppi per i nanonastri di grafene

I nanoribbons o nanonastri di grafene, cioè delle strisce sottilissime di questo materiale, si rivelano potenzialmente utili per produrre, rivelare e controllare la luce nonché per assorbirla e convertirla in energia, grazie a fenomeni quantistici chiamati bieccitoni. È la scoperta, pubblicata su Nature Communications,   di un gruppo di ricercatori di due Istituti del CNR, Istituto nanoscienze e Istituto di fotonica e nanotecnologie, in collaborazione con Politecnico di Milano, Università di Modena e Reggio Emilia e Max Planck Institute di Mainz.

A differenza dei fogli di grafene semi-metallici, i nanonastri di grafene si comportano come semiconduttori con interessanti proprietà ottiche. I ricercatori hanno utilizzato il grafene ridotto in strisce larghe meno di cinque nanometri, pari a un decimillesimo dello spessore di un capello. In tale configurazione il grafene diventa un semiconduttore, proprietà indispensabile per applicazioni ottiche, e al contempo mantiene molte caratteristiche del materiale semi-metallico. Così modificato, il grafene potrebbe essere impiegato in dispositivi ottici, come LED, laser e celle solari.

Il team di scienziati ha studiato i processi ultraveloci che avvengono nei nanonastri 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. 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 nanonastri – 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 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. È stato 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 nanonastri di grafene come materiali attivi in laser, fotorivelatori e altri dispositivi ottici.

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