Quando se trata de nanomateriais eletricamente condutores, o grafeno — mais forte e leve que o aço e mais condutor que o cobre — demonstrou ser uma excelente escolha para uma ampla gama de tecnologias.

Os físicos estão trabalhando para aprender mais sobre essa forma impressionante de carbono elementar natural, que é composto de uma única camada plana de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal repetitiva .

Agora, pesquisadores do Departamento de Física da Florida State University e do National High Magnetic Field Laboratory, sediado na FSU, publicaram descobertas que revelam como várias manipulações físicas do grafeno, como camadas e torções, impactam suas propriedades ópticas e condutividade. O estudo foi publicado no periódico Nano Letters .

A equipe, liderada pelo professor assistente Guangxin Ni, juntamente com o professor assistente Cyprian Lewandowski e o assistente de pesquisa de pós-graduação Ty Wilson, descobriu que a condutividade do grafeno bicamada torcida não é fortemente impactada por manipulações físicas ou químicas e, em vez disso, depende mais de como a estrutura geométrica minúscula do material muda pela torção entre camadas — uma revelação que abre as portas para estudos adicionais sobre como temperaturas e frequências mais baixas impactam as propriedades do grafeno.

"Esse caminho específico de pesquisa começou como uma tentativa de explicar algumas das propriedades ópticas do grafeno bicamada torcido, já que esse material já foi fotografado com microscópios ópticos de varredura de campo próximo antes, mas não de uma forma que comparasse diferentes ângulos de torção", disse Wilson. "Queríamos examinar esse material dessa perspectiva."

Para conduzir o estudo, a equipe capturou imagens de plasmons — pequenas ondas de energia que ocorrem quando elétrons em um material se movem juntos — que apareceram em várias regiões da bicamada torcida de grafeno.

A equipe analisou os limites de grãos , ou defeitos na estrutura cristalina , nas imagens resultantes para identificar diferentes regiões do grafeno bicamada torcida. Essas regiões contendo os plasmons despertaram o interesse da equipe porque as duas folhas de átomos de carbono foram torcidas em ângulos discretos em cada uma, além de elas mesmas serem torcidas em relação a uma camada de nitreto de boro hexagonal — um cristal transparente em camadas — colocada por baixo.

Os físicos se referem ao desenho geométrico que resulta quando um conjunto de linhas retas ou curvas é sobreposto a outro conjunto como um padrão moiré, derivado de uma palavra francesa para "regado". A torção da bicamada de grafeno e nitreto de boro resultou na formação do que é conhecido como uma estrutura de moiré duplo, duas camadas de padrões, também conhecida como super-rede.

"O plano era comparar o sinal de campo próximo refletido que obtivemos para cada domínio, enquanto a maioria das pesquisas anteriores sobre grafeno analisou apenas um único ângulo de torção, e nunca antes com esses sistemas 'moiré de moiré'", disse Wilson.

A equipe descobriu que a condutividade óptica do grafeno bicamada torcida com nitreto de boro não varia muito com o ângulo de torção para ângulos menores que dois graus, mesmo quando o grafeno é dopado eletricamente e exposto a frequências variáveis de luz infravermelha.

"O que isso nos diz é que as propriedades optoeletrônicas desse material super-moiré são independentes da dopagem química ou do ângulo de torção do grafeno bicamada torcida e, em vez disso, dependem mais da própria estrutura super-moiré e de como ela afeta as bandas eletrônicas no material, permitindo maior condutividade óptica", disse Wilson.

Lewandowski acrescentou que esse resultado é animador porque destaca o potencial dos sistemas moiré multicamadas na construção de materiais com propriedades ópticas "sob demanda".

"A técnica de medição usada pelo grupo do Professor Ni nos permite sondar a resposta óptica local de sistemas 2D, complementando outras técnicas de medição local comumente usadas para materiais 2D", disse ele. "Curiosamente, em conjunto com a modelagem teórica que a acompanha, a medição relatada argumenta como um sistema 2D pode atingir uma resposta óptica quase uniforme em uma ampla faixa de frequência de luz passivamente, sem a necessidade de feedback eletrônico ativo."

As descobertas da equipe indicam o impacto significativo de relaxamentos geométricos em redes de moiré duplo, o que ajuda os pesquisadores a entender melhor como nanomateriais como o grafeno podem responder a diferentes manipulações. Por sua vez, essas informações podem ser usadas para ajudar os cientistas a produzir propriedades ópticas desejáveis — como condutividade aprimorada — em um material, permitindo avanços inovadores em optoeletrônica de moiré, incluindo tecnologias de imagem térmica e comutação óptica em processadores de computador.

"Isso abre caminho para nossa exploração contínua de vários fenômenos nano-ópticos e eletrônicos que são inatingíveis com ópticas alternativas de campo distante com difração limitada", disse Ni.