Lampi di luce dai nanonastri di grafene

Un team di ricercatori ha osservato per la prima volta l’emissione di luce da singoli nanonastri di grafene. Hanno dimostrato che i nanonastri larghi appena 7 atomi emettono luce a intensità elevata, paragonabile alla quella dei dispositivi luminosi a base di nanotubi di carbonio; hanno inoltre dimostrato che è possibile regolare il colore variando la tensione. I risultati potrebbero portare allo sviluppo di sorgenti luminose, robuste e regolabili, basate su grafene.

I ricercatori, guidati da Deborah Prezzi dell’Istituto Nanoscience del Cnr di Modena (Nano-Cnr) e Guillaume Schull dell’Università di Strasburgo, hanno pubblicato i risultati della prima osservazione dell’elettroluminescenza da singoli nanonastri sulla rivista Nano Letters, ripresi anche in un articolo sulla rivista online Phys.org. I nanonastri di grafene, più spesso indicati con l’inglese graphene nanoribbon (GNR), sono strisce strettissime di grafene. La natura quasi unidimensionale dei GNR conferisce loro nuove proprietà e ulteriori vantaggi rispetto ai fogli bidimensionali di grafene.

“In genere, i dispositivi di dimensioni molecolari sono interessanti per lo studio di fenomeni fonamentali, ma sono piuttosto instabili e producono un segnale debole “, ha detto Schull a Phys.org”. Nel nostro articolo, dimostriamo che i singoli nanoribbon di grafene possono essere usati come sorgenti di luce intensa, stabili e controllabili: questo è un passo avanti decisivo verso l’impiego di sistemi organici nanometrici in veri dispositivi optoelettronici “.

Sebbene le eccellenti proprietà elettroniche del grafene siano state ampiamente studiate, si conosce meno sulle sue proprietà ottiche. “Uno degli inconvenienti dell’uso del grafene come emettitore di luce è che i fogli di grafene sono metallici”, spiega Deborah Prezzi di Nano-Cnr, “Tuttavia, studi recenti svolti anche dal nostro gruppo, hanno dimostrato che quando viene tagliato in nastri larghi solo pochi atomi, il grafene ‘in strisce’ ha un gap di banda ottico considerevole, aprendo la possibilità alla emissione di luce”.

Fino ad ora sono state poche le dimostrazioni sperimentali di emissione luminosa da parte di GNR, la maggior parte delle quali ha rivelato solo una debole emissione di luce, con esperimenti mai svolti su singoli GNR. Il nuovo studio, che riporta una luce molto più intensa emessa da singoli nanonastri, mette in evidenza il potenziale interessantissimo e ancora inutilizzato delle proprietà ottiche del grafene.

I ricercatori hanno usato un nuovo metodo che permette di sospendere un singolo nanonastro di grafene fra due elettrodi metallici, formando per la prima volta un circuito elettronico. Usando una punta del microscopio a scansione a effetto tunnel, i ricercatori hanno sollevato il nanonastro in modo che fosse in parte sul substrato e in parte sospeso. Questa configurazione riduce l’accoppiamento tra il nanoribbon e gli elettrodi metallici che altrimenti smorzerebbero l’emissione luminosa.

I nanonastri così sospesi hanno fornito un’intensa emissione ottica di fino a 10 milioni di fotoni al secondo, che è 100 volte più intensa dell’emissione misurata finora in dispositivi optoelettronici basati su singole molecole e paragonabile a quella misurata per i dispositivi a emissione di luce che utilizzano nanotubi di carbonio. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che lo spostamento di energia del picco principale cambia in funzione della tensione applicata, un fenomeno che fornisce un modo per regolare il colore della luce emessa.

“Alle misure sperimentali fatte dai colleghi francesi abbiamo accoppiato studi teorici, condotti dal gruppo di Nano-Cnr, che hanno permesso di comprendere meglio i meccanismi alla base dell’emissione luminosa dei singoli nanoribbon di grafene”, ha detto Prezzi. “Tali simulazioni, che permettono di studiare questi sistemi a livello atomistico e di predirne le proprietà, sono uno strumento importante per progettare nanoribbon con proprietà di emissione ottimali, un aspetto che prevediamo di approfondire in futuro”.

“Probabilmente esploreremo il legame tra la larghezza dei nanoribbon e il colore della luce emessa, poiché ci si aspetta che la larghezza controlli la dimensione del gap”, ha detto Schull. “Valuteremo anche l’effetto dei difetti sulla robustezza dei dispositivi, e cercheremo metodi per integrare i nostri nanonastri di grafene in circuiti più ampi”.

 

Riferimenti: Michael C. Chong , Nasima Afshar-Imani, Fabrice Scheurer, Claudia Cardoso, Andrea Ferretti, Deborah Prezzi, and Guillaume Schull, “Bright Electroluminescence from Single Graphene Nanoribbon Junctions.” Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03797

Approfondimenti

[Immagine: Nanonastro di grafene parzialmente sospeso tramite la punta di un microscopio, emette luce intensa. Crediti: Chong et al. ©2017 American Chemical Society]

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