A grafén tulajdonképpen egy egyetlen atom vastagságú grafitréteg. 3 millió grafén réteg ad ki 1 milliméter vastagságot. Nyúlékony, rugalmas, ugyanakkor nagyon kemény, és jóval erősebb az acélnál. Jó elektromos vezető, olvadáspontja meghaladja a 3000 °C-ot.

Egy speciális, nanométeres gyűrt grafénszerkezettel magyar kutatók először hoztak létre a látható fény frekvenciatartományába eső grafénplazmonokat. Az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének Nanoszerkezetek Laboratóriumában működő, Tapasztó Levente által vezetett Élvonal kutatócsoport eredményeit bemutató tanulmány a Nature Nanotechnology folyóiratban jelent meg.

 A látható frekvenciájú grafénplazmonok egyik első alkalmazásaként a kutatók a korábbiaknál ezerszer érzékenyebb grafénalapú optikai érzékelőt valósítottak meg, amelyre szabadalmi bejelentési kérelmet is benyújtottak.

Létezik egy nagyon különleges formája a fény és az anyag kölcsönhatásának, amely során a fény összekapcsolódik az anyag elektronjaival, és egy új kvázi-részecskévé alakul, amelyet plazmonnak neveznek. A fény és az elektronrendszer sikeres összekapcsolódásához csak bizonyos anyagok esetében adottak a feltételek.
A létrejövő plazmonok energiája – rezgési frekvenciája – megegyezik a gerjesztő fény frekvenciájával, azonban hullámhosszuk jelentősen lecsökken. Ez olyan, mintha a fényt kisebb térfogatba nyomnánk össze, ezáltal egy adott térfogatba nagyobb intenzitást sűrítve.

Az EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének Nanoszerkezetek Laboratóriumában Tapasztó Levente vezetésével dolgozó kutatók azt a kérdést vizsgálták, hogyan lehetséges látható plazmonokat létrehozni grafénban.

A grafén elektronjai egyedülálló módon úgy viselkednek, mintha nem lenne tömegük. Nagyon izgalmas kérdés tehát, hogy össze lehet-e kapcsolni a grafén különleges elektronjait a látható fénnyel, és ha igen, akkor milyen tulajdonságokkal rendelkező grafénplazmonok jönnek létre.

Az már korábban ismert volt, hogy a távoli infravörös fény képes grafénplazmonokat gerjeszteni, de az alkalmazások szempontjából kulcsfontosságú látható fény esetében ez csak úgy valósítható meg, ha a fényt a grafén parányi, 10 nanométernél kisebb tartományaiban csapdába ejtik.

Az EK MFA Nanoszerkezetek Laboratóriumának kutatói kiemelkedő szakértelemmel és tapasztalattal rendelkeznek éppen az ilyen apró grafén nanoszerkezetek létrehozásában. Saját nanolitográfiás eljárást fejlesztettek ki grafén nanoszerkezetek létrehozására (ez mindmáig a legpontosabb ilyen eljárás), mellyel képesek akár 5 nanométer (nm) – 40 szénatom – átmérőjű kis korongokat is kivágni a grafénsíkból.

A grafén erős meggyűrésére egy egyszerű ciklikus hőkezelési eljárást dolgoztak ki, kihasználva a grafén és a szilíciumhordozó hőtágulásának különbözőségét. A mintát 400 Celsius-fokra felmelegítve, majd szobahőmérsékletre lehűtve és ezt néhányszor megismételve a grafénban körülbelül 5 nm átmérőjű és 1 nm magas gyűrődések alakultak ki. Ezek a nanoskálájú szerkezeti deformációk már elég erősek voltak ahhoz, hogy a grafén elektronjait zárt pályákra kényszerítsék a gyűrődések körül. Az ilyen módon, élek nélkül bezárt elektronok pedig hatékonyan képesek csapdába ejteni a látható fényt.

Mire használható ez a gyakorlati életben?

A grafénba zárt plazmonokat, vagyis a fénynek ezt a különleges, „sűrített” formáját nagyon erős elektromos közelterek jellemzik, amelyek a grafén felületétől mindössze néhányszor tíz nanométeres távolságig vannak jelen. Ha egy molekula ilyen közelségbe kerül a grafén felületéhez, kölcsönhatása a fénnyel akár milliószorosára is felerősödhet. Ennek óriási gyakorlati jelentősége lehet, hiszen különböző oldatokban, illetve a levegőben nagyon kis koncentrációban jelen lévő molekulák optikai detektálását is lehetővé teszi. Vagyis nanorészecskéket érzékelő eszközöket lehet belőle építeni.

A plazmonok terjedni is képesek a gyűrt grafénban. Ennek azért van jelentősége, mert az ilyen terjedő plazmonok a jövőben akár plazmonalapú számítógép megvalósítását is lehetővé tehetik. A grafén mindamellett különösen ígéretes anyag a plazmonikai áramkörök megvalósítására, mert a plazmonok viszonylag kis veszteséggel képesek terjedni benne.

Forrás: https://qubit.hu/

https://www.ek-cer.hu/

Borítókép: Grafén-rétegek (Fotó: Pixabay)