La realizzazione pratica del grafene nel 2004 è stato un momento cruciale nella fisica dello stato solido moderna, perché ha generato un sistema fisico di grandissimo interesse per gli studi fondamentali, ma con una chiara vocazione per le nuove applicazioni. Nel grafene, i portatori di carica diventano privi di massa e le eccitazioni fermioniche a bassa energia sono descritte dall'equazione di Dirac. Una delle proprietà ottiche più rilevanti del grafene, diretta conseguenza dell'equazione di Dirac, è il suo coefficiente di assorbimento indipendente dalla lunghezza d'onda in tutto l'infrarosso medio e lontano, che lo rende un naturale candidato per riempire il gap tecnologico oggi esistente nei rivelatori integrati su microchip fotonici per l'infrarosso.
Nel progetto si propone di costruire un sistema ottico avanzato per lo studio di micro-dispositivi fotonici sperimentali realizzati nel nostro Dipartimento partendo da nano-"fiocchi" (flakes) di grafene esfoliato meccanicamente, depositati su contatti metallici realizzati per litografia. Per questi dispositivi è stato già osservato un comportamento da rivelatore di tipo bolometrico (variazione della resistenza con la temperatura) [3]. Le ridotte dimensioni dei "flakes" ottenibili per esfoliazione richiedono, per il loro studio, l'utilizzo di un microscopio laser nel medio/lontano infrarosso ad alta collimazione, alta potenza e struttura temporale dell'emissione ben definita.
Il programma proposto vede quindi l'incorporazione di un laser a cascata quantica tunabile nel medio infrarosso, già in possesso del Dipartimento, all'interno di un microscopio confocale basato su obiettivi riflettivi di tipo "Cassegrain" e su una tavola piezoelettrica ad alta precisione (
Il nuovo microscopio ci consentirà di affrontare il problema delle interazioni elettrone-fonone ed elettrone-elettrone in presenza di eccitazione ottica a bassa energia (ovvero nell'infrarosso lontano e medio, i cui fotoni hanno una energia tra 20 e 200 meV, uno o due ordini di grandezza più bassi di quelli visibili di 2-4 eV). Oltre al potenziale applicativo già discusso sopra, lo studio delle curve e degli spettri di responsività dei nano-rivelatori fotonici basati su singoli flakes di grafene esfoliato ci daranno accesso ai gradi di libertà elettronico e reticolare, che in ultima istanza sono responsabili della trasformazione dell'energia ottica incidente in un segnale di corrente o tensione ai capi del dispositivo.
I rivelatori al grafene di radiazione elettromagnetica più avanzati mostrano già responsività definite dal limite fisico fissato dallo scattering elettrone-fonone. Queste interazioni possono essere modellate con altissima precisione a partire dalla simulazione atomistica da principi primi, i cui calcoli sono basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT). La teoria ha dimostrato che i rami fononici coinvolti sono: il fonone ottico Raman-attivo; i fononi acustici del grafene; i fononi ottici infrarosso-attivi del substrato e/o dei materiali incapsulanti aderenti al grafene, quale ad esempio il nitruro di boro esagonale (hBN), che sono necessari per mantenere la qualità del dispositivo nel tempo ed evitare, ad esempio, l'ossidazione del grafene. Queste informazioni sono state principalmente ottenute dal confronto tra la teoria e i dati di trasporto elettrico in transistor ad effetto di campo. Il confronto con i dati di foto-risposta, soprattutto quella a bassa energia in cui i fotoni incidenti hanno energie confrontabili con quelle dei fotoni ottici in gioco, forniranno ulteriori test della teoria e permetteranno di avanzare nella comprensione delle interazioni fondamentali nel grafene.
Il confronto del comportamento dei nano-rivelatori di grafene con i classici rivelatori fotoconduttori basati su semiconduttori lievemente drogati permetterà inoltre di individuare ulteriori peculiarità del grafene rispetto ai materiali tridimensionali classici. Lo studio dei rivelatori fornirà così un angolo di vista completamente diverso rispetto a quanto si può ottenere con la spettroscopia statica nell'infrarosso, oppure con lo studio delle responsività di rivelatori nel visibile, in cui sono in gioco ben altre scale di energia.
Un ultimo aspetto interessante che può essere studiato con il microscopio proposto è l'omogeneità di un materiale cresciuto per Chemical Vapour Deposition (CVD) su larga area. I materiali 2-dimensionali cosi' cresciuti, compreso il grafene, sono chiaramente più interessanti per le applicazioni finali ma presentano grandi limiti dal punto di vista della densità e del tipo di difetti che si generano nella struttura cristallina del grafene durante e dopo la crescita nei reattori CVD. realizzando un gran numero di dispositivi rivelatori identici sullo stesso strato di materiale cresciuto per CVD, si potrà verificare l'omogeneità spaziale dei parametri di responsività spettrale e in funzione della tensione applicata, ottenendo così una caratterizzazione molto precisa dell'effetto dei difetti nel modificare le interazioni elettrone-fonone ed elettrone-elettrone. si pensa che questo possa essere il motivo principale delle performances spesso deludenti dei materiali cresciuti per CVD se confrontati con quelli esfoliati, e quesito vale per tutti i materiali 2D e non solo per il grafene. I materiali cresciuti per CVD saranno ottenuti tramite collaborazione già attiva con Università di Pisa e CNR-NEST (sempre a Pisa).