Grafénból készítettek kvantumcsapdát a fénynek az EK kutatói

Hírek

Az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Tapasztó Levente által vezetett Élvonal kutatócsoportjában először hoztak létre a látható fény frekvenciatartományába eső grafénplazmonokat egy speciális, nanométeres skálán gyűrt grafénszerkezet segítségével. A magyar kutatók vezetésével született eredményeket bemutató publikáció a Nature Nanotechnology című vezető nemzetközi 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. Ezek az úgynevezett plazmonikusan aktív anyagok, amelyek felületén a fény rezgő elektromos tere egy összehangolt kollektív hullámzásra késztetheti az anyag elektrontengerét. 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 pusztán egyetlen atomnyi vastagságú, szénatomokból felépülő kétdimenziós kristály, amelynek különlegességét sajátos elektronszerkezete adja. 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.

Raman-berendezes
A kísérletekben használt kombinált Raman- és SNOM (pásztázó optikai közeltér-mikroszkópos) berendezés

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.

Ahhoz, hogy a látható fényt néhány nanométer átmérőjű grafénszerkezetekbe zárják be, először a grafén elektronjait kellett csapdába ejteni. 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. Minden adott volt tehát ahhoz, hogy a látható fényt ilyen parányi grafénkorongokba zárják, ám az eljárás mégsem működött. Kiderült, hogy ott, ahol a szénatomok közötti kötések megszakadnak, a kis grafénkorongok élei tönkreteszik a fény és az elektronok összekapcsolódásával létrejövő plazmonokat. Emiatt gyökeresen új megközelítésre volt szükség: élek nélkül kellett bezárni az elektronokat és ezáltal a plazmonokat. Erre találtak az EK kutatói egy rendkívül innovatív megoldást. Megmutatták, hogy a grafén elektronjai nanométeres átmérőjű graféngyűrődésekbe is bezárhatók, ha azok megfelelően magasak. 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.

EK kép 1
Nanométeres skálán gyűrt grafén 3D pásztázó alagútmikroszkópos (STM) képe, illetve a graféngyűrődésekbe bezárt plazmonokra jellemző töltéseloszlás elméleti számolásokból

Mire jó ez?

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.

Réz- és cink-ftalocianin molekulák optikai detektálása extrém kis koncentrációjú oldatokból, illetve a grafénplazmonok által keltett interferenciamintázat direkt észlelése SNOM-mérésekben

Ennek demonstrálására a kutatók rendkívül híg oldatokat készítettek cink-ftalocianin (ZnPc) molekulákból, és a gyűrt grafén segítségével sikerült kimutatni a molekulák jelenlétét akár femtomólos koncentrációjú oldatokból. Ezek annyira híg oldatok, hogy egyetlen ZnPc molekula jut milliószor ezermillió oldatmolekulára. A kísérletek eredményeként ezerszer kisebb koncentrációban tudtak kimutatni molekulákat, mint korábban grafénérzékelők segítségével. Ráadásul a nanoskálán meggyűrt grafénalapú érzékelőknek megvan az az óriási gyakorlati előnye, hogy sokkal olcsóbbak és stabilabbak, mint az ezüst vagy arany nanorészecskékből előállított hasonló szenzorok. Ez utóbbiak érzékenysége akár néhány óra alatt is jelentősen csökkenhet a környezeti hatások miatt, míg a grafénminták hónapokig stabilan megőrzik érzékenységüket. A gyakorlati hasznosíthatóságra tekintettel az EK kutatói szabadalmi kérelmet is beadtak a grafénalapú érzékelőkre.

A grafénplazmonok még további meglepetést is tartogattak a kutatók számára. Bár látható frekvenciájú plazmonokat csak úgy kelthetünk a grafénban, ha azokat parányi gyűrődésekbe zárjuk, ez nem jelenti azt, hogy a plazmonok ne tudnának ezekből „kiszabadulni”. A kutatók pásztázó optikai közeltér-mikroszkópos vizsgálatokkal kimutatták, hogy a plazmonok terjedni is képesek a gyűrt grafénban. Ez azért lehetséges, mert a grafén gyűrődései térben igen sűrűn helyezkednek el, a szomszédos gyűrődések közötti távolság körülbelül tíz nanométer. A gyűrődésekbe zárt plazmonok így „érzik” egymás jelenlétét, vagyis kölcsönhatásba lépnek egymással, a kölcsönhatás révén pedig képesek részben kiszabadulni és szabadon terjedni a 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.

Publikáció:

Dobrik G., Nemes-Incze P., Majerus B., Süle P., Vancsó P., Piszter G., Menyhárd M., Kalas B., Petrik P., Henrard L., Tapasztó L.: Large-area nanoengineering of graphene corrugations for visible-frequency graphene plasmons. (2021) Nature Nanotechnology

Szabadalom:

Tapasztó Levente, Dobrik Gergely, Nemes-Incze Péter, Vancsó Péter: Hordozó eszköz felületerősített Raman-szóráshoz, eljárás annak előállítására, valamint grafén szerkezet. P2000410