Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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C Ciência Lançando luz sobre o Grafeno VOLTAR

Grafeno – uma fina membrana formada por camadas de carbono de um ou dois átomos de espessura – é considerado um dos futuros tijolos da nanotecnologia. Ganhando tremenda atenção nos últimos anos, grafeno e combinações de materiais baseados em grafeno, tais como grafeno/nitreto de boro encontram potenciais aplicações em ótica e aparelhos opto-eletrônicos. Para projetar novos aparelhos óticos, é preciso entender como a matéria interage com o seu próprio ambiente, especialmente com o material em que o grafeno é depositado.

Em um esforço conjunto, os cientistas do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), os cientistas do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e os pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), investigaram as propriedades óticas de grafeno disposto em substratos de nitreto de boro e de dióxido de silício.

Os pesquisadores usaram a mais nova linha de luz infravermelha construída no LNLS por Raul Freitas e Francisco Barbosa. Há pouquíssimas linhas de luz infravermelha como a desse poderoso equipamento no mundo, então esta foi uma oportunidade única para investigar esses materiais. A linha de luz infravermelha permite a caracterização do material com uma resolução lateral de 50 nm – que é aproximadamente 1000 vezes melhor do que com um microscópio ótico infravermelho comum. Os pesquisadores podem obter muitas imagens de alta resolução, assim como explorar a interação do grafeno com o material subjacente através da espectroscopia no infravermelho.

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Figura (a) mostra a topografia nanométrica do nitreto de boro (lado esq.) com uma camada de grafeno em cima se estendendo sobre a borda do nitreto de boro para a direita. (b) Imagem em infravermelho com resolução ultra alta obtida com a instrumentação única da linha de luz do LNLS. A camada de grafeno aparece na imagem devido a seu sinal ótico mais forte.

Publicada no periódico Nanoscale da Royal Society of Chemistry (Sociedade Química Real da Inglaterra), a figura acima mostra imagens de alta resolução de uma amostra. A figura (a) retrata a topografia nanométrica da amostra. O lado esquerdo da imagem (a) mostra nitreto de boro com grafeno de espessura de um e três átomos. Isso também é visto no lado direito da imagem (a).

Imagem (b) acima mostra a imagem em infravermelho obtida na linha de luz do LNLS. A diferença de cor nas partes da imagem mostra a resposta ótica do grafeno, que é diferente pelo número de camadas (3 ou 1) assim como para substrato subjacente (as áreas mais brilhantes são o grafeno em cima do dióxido de silício). Finalmente, pontos pretos são vistos onde o grafeno se separa do substrato subjacente, quando o contato é quebrado, a resposta ótica do grafeno é muito mais fraca.

O autor correspondente do trabalho, Christoph Deneke, trabalhando no LNNano e falando pela equipe, explica que essas investigações, juntamente com os espectros em infravermelho obtidos do grafeno/nitreto de boro, ampliam nossa compreensão básica do sistema do material.

“A visão desses resultados nos mostra que essas propriedades óticas do grafeno dependem do substrato subjacente“, ele explica. “Nós aprendemos que ao contrário dos materiais comuns usados para aparelhos óticos, para o nosso grafeno de espessura nanométrica importa o que está abaixo dele. E, nós vemos que o grafeno interage com o material abaixo – a atividade ótica é muito mais alta no dióxido de silício do que no nitreto de boro. Mas ambos os materiais melhoram a atividade ótica comparada com o grafeno puro. ”

Os dados da espectroscopia forneceram uma imagem detalhada da interação do grafeno com a camada de suporte, mostrando que as vibrações de material específico do substrato são responsáveis propriedades óticas diferentes do grafeno. A equipe de pesquisa espera que com mais experimentos usando essa instalação única e poderosa, eles possam entender melhor o comportamento ótico do grafeno e otimizá-lo para a integração em aparelhos futuros como sensores para luz infravermelho, telas planas e TV ou células solares.

Fonte: I.D. Barcelos, A.R. Cadore, L.C. Campos, A. Malachias, K. Watanabe, T. Taniguchi, F.C. Maia, R. Freitas, C. Deneke. Graphene/h-BN plasmon–phonon coupling and plasmon delocalization observed by infrared nano-spectroscopy. Nanoscale, 2015,7, 11620-11625. doi:10.1039/C5NR01056J