Construcción de límites de grano de grafeno
Aunque el grafeno ofrece enormes ventajas para las tecnologías de plasmones, a menudo es difícil coexcitar múltiples plasmones de grafeno en una sola hoja de grafeno muy densa. En un artículo reciente publicado en la revista ACS NanoLos investigadores informaron sobre una monocapa de grafeno policristalino de crecimiento heteroepitaxial con densidad de límite de grano (GB) de gradiente modelado para facilitar el desarrollo de nanociencia de una sola capa atómica, fotónica integrada y optoelectrónica.
Estudiar: Ingeniería de límite de grano de grafeno para puntos calientes y multiexcitación plasmónica. Haber de imagen: Marco de Benedictis/Shutterstock.com
GB de grafeno
Las cuasipartículas bidimensionales (2D) correlacionadas de grafeno que pueden oscilar colectivamente constituyen un campo interdisciplinario de la plasmónica de grafeno. Los plasmones de grafeno tienen una excelente capacidad de control y confinamiento electromagnético que dominan las frecuencias de infrarrojo lejano y terahercios. Además del nanopatrón de microfabricación y la modulación del potencial químico, el grafeno GB es un candidato prometedor para obstruir o reflejar plasmones en el espacio real.
A pesar de la eficiencia de los GB en la reconstrucción de la estructura del grafeno, lo que facilita la puesta a punto de la plasmónica del grafeno, este sufre un dopaje extremo de impurezas y problemas de alta densidad, lo que le impide obtener una única monocapa de grafeno con GB diversos y densos. Por lo tanto, la aplicación y la influencia de los GB en los modos plasmónicos sigue siendo difícil de alcanzar.
Se han desarrollado varias estrategias para reducir y aumentar la densidad de GB; estas estrategias se limitaron a crear entornos de crecimiento homogéneos en todo el sustrato, lo que limita la diversidad de la generación GB.
Graphene GB para puntos calientes y multiexcitación plasmónica
El presente estudio informó sobre la monocapa de grafeno policristalino de crecimiento heteroepitaxial con una densidad de GB de gradiente modelado. Utilizaron el método de deposición de vapor químico para crear varios entornos de crecimiento local a nanoescala en un sustrato a escala de centímetros. Estas geometrías permitieron la coexcitación plasmónica con diversificación de longitud de onda.
El equipo demostró ondas estacionarias ricas en plasmones y puntos de acceso plasmónicos brillantes mediante microscopía óptica de campo cercano (SNOM) de barrido de alta resolución. Observaron que las longitudes de onda plasmónicas locales se podían sintonizar mediante el recocido y la variación de la densidad de GB. Basándose en modelos teóricos, dedujeron que la razón de tal versatilidad plasmónica se debía a las interacciones fonón-plasmón inducidas por GB a través del método de aproximación de fase aleatoria. El crecimiento heteroepitaxial inducido por semillas informado es una estrategia prometedora para la ingeniería GB de materiales 2D. Además, la cogeneración y manipulación de plasmones controlables basados en GB en una sola monocapa de grafeno facilita el uso de grafeno para nanofotónica y plasmónica.
Resultados de la búsqueda
La estructura de grano de la zona anular de la película de grafeno se investigó mediante difracción de electrones de área seleccionada (SAED) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). El modelo SAED mostró muchas familias de manchas que indicaban la presencia de muchos granos orientados de manera diferente. Los investigadores obtuvieron una imagen del espacio real del grano en una orientación seleccionada a través de un filtro de apertura de lente. Se han creado todos los mapas de estructura de grano de grafeno y se han codificado por colores según la orientación de la red.
La imagen TEM de campo oscuro mostró que el área del anillo tenía una estructura de tamaño de grano degradado y, a medida que se acercaba al centro del anillo, la densidad de GB aumentaba. Los tamaños de grano obtenidos para las zonas externa, anular e interna fueron respectivamente de 140 ± 56, 40 ± 21 y 30 ± 13 nanómetros. La caracterización TEM de alta resolución con corrección de aberraciones mostró que los anillos de grafeno policristalino (PG) contenían granos de grafeno sin defectos unidos a GB con pentágonos y heptágonos.
El modelo de transformada rápida de Fourier reveló granos orientados de manera diferente en varios números. La película mostró áreas altamente cristalinas con morfologías similares y variación en la densidad de GB. Los plasmones en una película de PG no homogénea (IPG) se estudiaron utilizando SNOM, bajo una longitud de onda infrarroja (IR) incidente de aproximadamente 10 micrómetros. Sobre la base de las observaciones TEM de campo oscuro y el mecanismo de crecimiento, el equipo confirmó la formación de GB de alta densidad dentro del agujero en el centro del dominio de grafeno individual. También observaron un gran punto de acceso de plasmones ubicado centralmente en cada dominio, lo que sugiere que las regiones GB de alta densidad son la fuente de los puntos de acceso.
Se utilizó un espectro infrarrojo de transformada nano-Fourier (nano-FTIR), que se recolectó de la punta SNOM alrededor del punto de acceso, para demostrar la espectroscopia de huellas dactilares locales. El espectro mostró una absorción IR más fuerte que la sílice virgen (SiO2) sustrato, lo que indica la absorción de plasmón de punto caliente de la película de grafeno.
El control de distribución GB o el recocido IPG ayudaron a alcanzar puntos calientes que se agrandaron a un tamaño impredecible. Los puntos calientes excitados en esta muestra eran de aproximadamente 1000 nanómetros, que era el doble de grande que las muestras en blanco. Aquí, recocer el IPG mejoró el dopaje del portador en él.
Conclusión
En conclusión, los investigadores demostraron el crecimiento controlado de la película de IPG con una variación modelada de la distribución de densidad de GB, en la que se usaron semillas de anillos de PG para crear diferentes entornos de crecimiento local a nanoescala en un sustrato de un centímetro.
El equipo también demostró la coexcitación de varios plasmones en dichos IPG con capacidad de sintonización de longitud de onda que se midió utilizando imágenes ópticas de campo cercano. Estos plasmones excitados simultáneamente mostraron una longitud de onda que aumentó exponencialmente y formaron grandes puntos calientes plasmónicos al aumentar la densidad de GB. Además, esta capacidad de sintonización plasmónica se debió a las interacciones plasmón-fonón inducidas por GB sin excitación magnética o sesgo de puerta externa.
Referencia
Teng Ma, Baicheng Yao, Zebo Zheng, Zhibo Liu, Wei Ma, Maolin Chen, Huanjun Chen y otros (2022). Ingeniería de límite de grano de grafeno para puntos calientes y multiexcitación plasmónica. ACS Nano. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00396
