Les nanorubans flexibles et facilement évolutifs permettent d’utiliser le graphène dans les applications techniques


Les nanorubans flexibles et facilement évolutifs permettent d'utiliser le graphène dans les applications techniques

Des chercheurs de l’Université du Wisconsin – Madison ont fabriqué le plus petit ruban de graphène à ce jour, d’environ 12 nanomètres de large, pour utiliser le matériau tout carbone ultra-mince et adaptable pour améliorer Internet et d’autres services de télécommunications. Les structures, qui agissent comme de minuscules antennes qui interagissent avec la lumière, sont trop petites pour être vues à l’œil nu. Crédit photo: Université du Wisconsin-Madison

De la radio à la télévision en passant par Internet, les émissions de télécommunications sont simplement des informations véhiculées par des ondes lumineuses et converties en signaux électriques.

Les fibres optiques à base de silicium sont actuellement les meilleures structures pour les transmissions à grande et longue distance, mais le graphène – un matériau entièrement en carbone ultra-mince et conformable – pourrait encore améliorer les performances.

une étude publiée le 16 avril dans Photonique ACSDes chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont créé des graphiques dans les plus petites structures de bande tout en utilisant une méthode qui facilite la mise à l’échelle. En testant ces minuscules rubans, les scientifiques ont découvert qu’ils approchaient des propriétés dont ils avaient besoin pour rendre le graphène utile dans les équipements de télécommunications.

«Des recherches antérieures ont montré que pour être viable pour les technologies de télécommunications, le graphène doit être à une échelle prohibitive sur de grandes surfaces (ce qui est un cauchemar de fabrication)», déclare Joel Siegel, étudiant diplômé de l’UW Madison dans le groupe de professeur de physique Victor Brar et co-auteur principal de l’étude. « Dans notre étude, nous avons développé une technique de fabrication évolutive pour fabriquer les plus petites structures de ruban de graphène à ce jour et avons constaté qu’avec de petites réductions supplémentaires de la bande passante, nous pouvons commencer à nous déplacer dans l’espace des télécommunications. »

Le graphène a été présenté comme un matériau miracle pour des technologies telles que les télécommunications et les cellules solaires car il est facile à traiter, relativement peu coûteux et possède des propriétés physiques uniques, comme être un isolant et un conducteur d’électricité.

Lorsque le graphène est modifié pour interagir avec une lumière à plus haute énergie, il peut être utilisé pour moduler les signaux de télécommunications à la vitesse de l’éclair. Par exemple, il pourrait être utilisé pour bloquer les fréquences de communication indésirables.

Une façon d’améliorer les performances du graphène est de le découper en structures de ruban microscopiques à l’échelle nanométrique qui agissent comme de minuscules antennes qui interagissent avec la lumière. Plus l’antenne est petite, plus les énergies lumineuses avec lesquelles elle interagira seront élevées. Il peut également être «réglé» pour interagir avec de multiples énergies de lumière lorsqu’un champ électrique est appliqué, étirant ainsi davantage ses performances.

Les chercheurs, y compris des équipes dirigées par les professeurs de science et de des matériaux UW Madison Michael Arnold et Padma Gopalan, voulaient initialement fabriquer un appareil à partir de rubans de graphène plus étroit que tout ce qui était précédemment fabriqué. En construisant des polymères en forme de ruban au-dessus du graphène, puis en décapant une partie du matériau environnant, ils se sont retrouvés avec des rubans de graphène incroyablement minces étirés avec précision.

«C’est très utile car il n’y a pas de bonnes techniques de fabrication pour atteindre la taille caractéristique de 12 nanomètres que nous avons réalisée sur une grande surface», déclare Siegel. « Et il n’y a pas de différence entre les motifs à l’échelle du centimètre avec lesquels nous travaillons ici et les plaques géantes de 6 pouces qui sont utiles pour les applications industrielles. La mise à l’échelle est très facile. »

Avec les appareils produits, les chercheurs ont ensuite pu tester comment les rubans interagissaient avec la lumière et dans quelle mesure ils pouvaient contrôler cette interaction.

En collaboration avec le groupe du professeur UW Madison de génie électrique et informatique, Mikhail Kats, ils ont rayonné différentes longueurs d’ de lumière infrarouge dans les structures et identifié la longueur d’onde à laquelle les bandes et la lumière interagissaient le plus fortement, connue sous le nom de longueur d’onde de résonance.

Ils ont constaté que plus la bande passante était faible, plus la longueur d’onde de résonance de la lumière était faible. Des longueurs d’onde plus basses signifient des énergies plus élevées, et leurs appareils interagissaient avec les énergies les plus élevées jamais mesurées pour un graphique structuré.

Les chercheurs ont également pu régler les rubans en augmentant l’intensité du champ électrique appliqué aux structures et en réduisant davantage la longueur d’onde de résonance des structures. Les chercheurs ont découvert qu’une structure avait la flexibilité attendue requise pour les applications technologiques recherchées.

Ils ont ensuite comparé leurs données expérimentales avec le comportement prédit de graphiques structurés sur trois largeurs de bande différentes et trois intensités de champ électrique. Les bandes plus larges créées par les chercheurs étaient étroitement cohérentes avec les comportements prédits.

Avec des groupes plus étroits, cependant, ils ont vu ce que l’on appelle un changement de blues, ou un changement vers des énergies plus élevées que prévu. Le décalage vers le bleu peut s’expliquer par le fait que les électrons des bandes plus petites sont plus susceptibles d’interagir et de se repousser.

«Le décalage vers le bleu observé montre que les longueurs d’onde des télécommunications peuvent être atteintes avec des structures beaucoup plus grandes que prévu – environ huit à dix nanomètres – ce qui n’est que légèrement plus petit que les structures de 12 nanomètres que nous fabriquons», explique Siegel.

L’objectif de huit à dix nanomètres étant bien plus proche que prévu, les chercheurs tentent désormais d’optimiser leurs méthodes de fabrication afin de rendre les rubans encore plus étroits. Ces nouvelles nanostructures de graphène permettront également des recherches sur la physique fondamentale des interactions entre la lumière et la matière, ce que Siegel et ses collègues font actuellement.


Modification des graphiques avec la lumière laser


Plus d’information:
Joel. F. Siegel et coll. Utilisation de la lithographie ascendante et de la non-localité optique pour générer des résonances infrarouges plasmoniques à ondes courtes dans les graphiques, Photonique ACS (2021). DOI: 10.1021 / acsphotonics.1c00149

Fourni par l’Université du Wisconsin-Madison

Citation: Des flexibles et faciles à mettre à l’échelle déplacent des graphiques pour une utilisation dans des applications techniques (2021, 3 mai), consulté le 3 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-flexible-easy-to- échelle -nanoribbons -graphène-tech.html

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