Il grafene, materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio disposti a formare esagoni, ha scatenato un enorme interesse per la sua alta mobilità elettronica, grande flessibilità meccanica e particolari caratteristiche ottiche. Si stanno recentemente sviluppando dispositivi a base di grafene come elettrodi trasparenti, celle solari, fotorivelatori ultra veloci e fototransistor. La dispersione lineare del grafene e l’assenza di un band gap, con le sue proprietà di doping insolite, lo rendono un materiale di straordinario potenziale nell’applicazione per dispositivi optoelettronici.
I produttori dopano chimicamente il silicio per regolare le sue caratteristiche semiconduttive; ma c’è una svolta scientifica interessante, riportata dalla rivista della Società Chimica Americana (ACS – American Chemical Society), cioè il doping del grafene tramite la «plasmonica»: questa rappresenta una delle discipline principali all’interno della cosiddetta nano-ottica, cioè dello studio dell’interazione tra la luce visibile e la materia nanostrutturata. Ciò potrebbe facilitare la creazione istantanea di circuiti sul grafene, modellato con antenne plasmoniche, le quali possono essere considerate come una versione ridotta di un’antenna per onde radio: le dimensioni devono essere di poche decine o centinaia di nanometri (miliardesimi di metro) al fine di soddisfare condizioni di risonanza con la lunghezza d’onda della radiazione visibile; inoltre possono manipolare la luce e iniettare elettroni nel materiale per modificare la conducibilità.
«Una delle motivazioni principali per la ricerca sul grafene è sempre stata l’elettronica», ha detto Nordlander, professore di fisica e astronomia e di ingegneria elettrica e computazionale della Rice University; «le persone che conoscono il silicio, sanno che l’elettronica è possibile, perché questo elemento può essere p- e n- drogato e noi stiamo imparando come questo può essere eseguito sul grafene. Il doping del grafene è un parametro fondamentale per lo sviluppo dell’elettronica basata su questo materiale. Ora non si possono acquistare dispositivi elettronici basati sul grafene, ma non c’è dubbio che i produttori stanno facendo molti sforzi, perché ha un grande potenziale».
I ricercatori hanno studiato molte strategie per il doping del grafene, compreso attaccare molecole organiche o metalliche al suo reticolo esagonale: renderlo selettivamente e reversibilmente suscettibile al doping sarebbe come avere una lavagna di grafene su cui il circuito può essere scritto e cancellato a piacimento, a seconda dei colori, angoli o polarizzazione della luce che lo colpisce. La possibilità di attaccare nanoantenne plasmoniche al grafene offre proprio questa possibilità.
Gli scienziati Peter Nordlander e Naomi J. Halas hanno una notevole esperienza nella manipolazione dei plasmoni (cioè quasiparticelle associate alle onde di densità elettroniche di un plasma), che possono essere indotti a oscillare sulla superficie di un metallo. Le particelle metalliche non tanto riflettono la luce, quanto riorientano la sua energia: i plasmoni, che sottoforma di onde attraversano la superficie, quando sono eccitati emettono luce o sono in grado di creare elettroni «hot» a lunghezze d’onda particolari e controllabili.
Per l’esperimento della Rice University, le antenne plasmoniche – otto dischi d’oro su scala nanometrica disposti intorno a un disco più grande – sono state depositate su un foglio di grafene attraverso litografia a fascio elettronico. Queste antenne sono state sintonizzate per diffondere la luce tra 500 e 1.250 nanometri, ma con interferenza distruttiva a circa 825. Al punto di interferenza distruttiva, la maggior parte dell’energia luminosa incidente viene convertita in elettroni «hot» che trasferiscono direttamente al foglio di grafene e modificano porzioni di foglio trasformando il conduttore in un n-semiconduttore drogato.
«Il punto quantico (cioè una nanostruttura formata da un’inclusione di un materiale semiconduttore) e le antenne plasmoniche possono essere adattati per rispondere a praticamente qualsiasi colore dello spettro visibile» ha detto Nordlander: «possiamo addirittura sintonizzarci su diversi stati di polarizzazione, o la forma di un fronte d’onda. Questa è la magia della plasmonica: siamo in grado di sintonizzare la risonanza plasmonica in qualsiasi modo vogliamo. In questo caso, abbiamo deciso di farlo a 825 nanometri, perché è nel mezzo della gamma spettrale delle fonti di luce disponibili. Potremmo inviare luce a diversi colori e non vedere alcun effetto, o in un particolare colore e vedere un grande effetto». Un giorno, invece di utilizzare una chiave, la gente potrebbe sventolare una torcia per aprire una porta inducendo il circuito di una serratura.
