Emocionante oportunidad de ajustar las capacidades optoelectrónicas de los materiales 2D

Las burbujas finas de grafeno curvadas a nanoescala pueden crecer en una superficie plana debido a las sustancias atrapadas en el espacio entre el grafeno y el sustrato. La estructura, la forma y la presión interna de la burbuja de grafeno están determinadas por la energía elástica requerida para deformar el material.

Estudiar: Oscilaciones de espectros Raman inducidas por la luz y propulsión macroscópica de burbujas de grafeno. Haber de imagen: sakkmesterke/Shutterstock.com

Un estudio reciente publicado en El Diario de Química Física C se centra en la determinación de los parámetros geométricos de las burbujas de grafeno utilizando mapas de espectroscopia Raman.

¿Qué son las burbujas de grafeno?

Debido a materiales confinados como agua, hidrocarburos y otras moléculas gaseosas, las burbujas de grafeno pueden crecer en sustratos planos debido a su baja permeabilidad, propiedades mecánicas incomparables y flexibilidad excepcional.

Muchas características físicas inherentes del grafeno, como el módulo de Young, la rigidez y la energía adhesiva entre el grafeno y diferentes sustratos, se pueden evaluar analizando las características geométricas de las burbujas de grafeno.

Dado que el grafeno tiene solo uno (o unos pocos) átomos de espesor, es susceptible a la distorsión mecánica, lo que brinda una posibilidad interesante de manipular las características físicas del grafeno. En consecuencia, la burbuja de grafeno puede considerarse una excelente plataforma de ingeniería de deformación de grafeno.

Aplicaciones importantes de las burbujas de grafeno

Las burbujas de grafeno son muy sensibles a las influencias externas, como las fuerzas electromagnéticas y ópticas. Investigaciones anteriores han demostrado que la forma de las burbujas de grafeno se puede cambiar introduciendo una fuerza eléctrica externa, lo que indica que las lentes adaptativas basadas en grafeno son muy prometedoras para futuras aplicaciones.

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Debido a las especiales características ópticas de las burbujas de grafeno, se produce una considerable interacción luz-materia, dando como resultado un fenómeno de biestabilidad óptica en la condición de resonancia. Las burbujas de grafeno también se pueden utilizar para estudiar las características químicas y físicas de los materiales encapsulados a nanoescala.

Espectroscopia Raman para el estudio de burbujas de grafeno

La espectroscopia Raman es un método flexible para investigar las características del grafeno, no solo para determinar el número de láminas de grafeno, el apilamiento, la flexión, el dopaje y las imperfecciones, sino también para examinar la propagación del estrés.

Se han realizado muchos estudios para investigar el efecto de la tensión uniaxial en el espectro Raman del grafeno. La burbuja de grafeno, por otro lado, se utiliza principalmente para analizar el espectro Raman bajo estrés biaxial, mostrando una buena consistencia con los resultados teóricos. En las burbujas de grafeno también se han reportado amplificaciones Raman y variaciones en el espectro Raman producidas por la interferencia de la luz.

A pesar de que las burbujas de grafeno ofrecen una amplia gama de características fascinantes y posibles usos, se han realizado pocos estudios sobre el grafeno de una sola capa. Más importante aún, ha habido relativamente pocos esfuerzos experimentales para alterar el movimiento de la burbuja y su caracterización utilizando tecnologías avanzadas como la espectroscopia Raman.

Aspectos destacados del estudio actual

El estudio actual produce una burbuja de grafeno de pocas capas calentando grafeno separado en una plataforma de dióxido de silicio/silicio. Se utilizan imágenes ópticas, microscopía de fuerza atómica (AFM) y espectrometría Raman para describir y estudiar las características de la burbuja,

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Las imágenes ópticas y el mapeo Raman revelaron grandes anillos de Newton que interfieren en la interfaz de la burbuja.

Como resultado, las fluctuaciones notables en las frecuencias máximas de la burbuja de grafeno son visibles en las líneas de exploración del espectro Raman. También se exploran los posibles mecanismos de las oscilaciones Raman midiendo las distribuciones de temperatura de la burbuja irradiada con láser.

Desarrollos clave

Utilizando un procedimiento de calentamiento durante la exfoliación, los investigadores de este estudio produjeron burbujas de grafeno de tamaño y forma controlables. La espectroscopia Raman permitió la comprensión de los parámetros de deformación de la burbuja. En las imágenes ópticas y el mapeo Raman de las burbujas, se pudieron ver los anillos de Newton inducidos por la interferencia de la luz.

En imágenes ópticas, los anillos de Newton se detectan a través de los efectos de interacción productivos y perjudiciales de la luz blanca. Sin embargo, en los gráficos Raman, estos anillos resultan de ondas estacionarias creadas dentro de la burbuja.

Basado en imágenes Raman, se escaneó el perfil temporal de temperatura en la burbuja para visualizar directamente las ondas estacionarias ópticas. Durante la irradiación con láser, se encontró que la temperatura local más alta dentro de una burbuja de grafeno podría superar los 1000 K.

El efecto de calentamiento no uniforme causado por la absorción del láser hizo que la burbuja fuera impulsada directamente por la luz a una distancia significativa. Al controlar la trayectoria del rayo láser, es posible controlar el movimiento de la burbuja de manera reversible, lo que muestra una gran promesa para varias aplicaciones fascinantes, como los sistemas de administración de medicamentos a pedido.

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Referencia

Xiao, Y. et al. (2022). Oscilaciones de espectros Raman inducidas por luz y propulsión macroscópica de burbujas de grafeno. El Diario de Química Física C. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03640

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