Nanocintas flexibles y fáciles de esquilar mueven el grafeno para su uso en aplicaciones tecnológicas: ScienceDaily

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Desde la radio a la televisión e Internet, las transmisiones de telecomunicaciones son simplemente información transportada en ondas de luz y convertida en señales eléctricas.

Las fibras ópticas basadas en silicio son actualmente las mejores estructuras para la transmisión de alta velocidad y larga distancia, pero el grafeno, un material ultrafino y adaptable totalmente de carbono, podría mejorar aún más el rendimiento.

En un estudio publicado el 16 de abril a Fotónica ACS, Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han fabricado grafeno en las estructuras de cinta más pequeñas hasta la fecha utilizando un método que simplifica el escalado. En pruebas con estas pequeñas cintas, los científicos descubrieron que se estaban acercando a las propiedades que necesitaban para mover el grafeno a la utilidad en los equipos de telecomunicaciones.

«Investigaciones anteriores sugirieron que para ser viable para las tecnologías de telecomunicaciones, el grafeno tendría que estar estructurado de manera prohibitiva en grandes áreas, (lo cual es) una pesadilla de fabricación», dice Joel Siegel, un estudiante graduado de UW-Madison en el grupo del profesor de física Victor Brar y coautor principal del estudio. «En nuestro estudio, hemos creado una técnica de fabricación escalable para hacer las estructuras de cinta de grafeno más pequeñas jamás hechas, y hemos descubierto que con más reducciones modestas en el ancho de la cinta, podemos comenzar a alcanzar el alcance de las telecomunicaciones».

El grafeno es aclamado como un material maravilloso para tecnologías como las telecomunicaciones o las células solares porque es fácil de trabajar, es relativamente económico y tiene propiedades físicas únicas, como ser un aislante y un conductor de electricidad.

Si se modifica para interactuar con la luz de mayor energía, el grafeno podría usarse para modular las señales de telecomunicaciones a velocidades ultrarrápidas. Por ejemplo, podría usarse para bloquear frecuencias de comunicación no deseadas.

Una forma de mejorar el rendimiento del grafeno es cortarlo en estructuras microscópicas de cinta a nanoescala, que actúan como pequeñas antenas que interactúan con la luz. Cuanto más pequeña es la antena, más energías de luz interactúa. También se puede «sintonizar» para interactuar con más energías de luz cuando se aplica un campo eléctrico, aumentando aún más su rendimiento.

Los investigadores, incluidos los equipos dirigidos por los profesores de ingeniería y ciencia de los materiales de UW-Madison, Michael Arnold y Padma Gopalan, primero querían hacer un dispositivo de cinta de grafeno que fuera más ajustado que cualquier otro fabricado antes. Al construir polímeros en forma de cinta sobre el grafeno y luego grabar parte del material circundante, quedaron cintas de grafeno dibujadas con precisión e increíblemente delgadas.

«Es muy útil porque no existen buenas técnicas de fabricación para llegar al tamaño de la característica que hicimos, 12 nanómetros de ancho en un área grande», dice Siegel. «Y no hay diferencia entre el modelo a escala de centímetros con el que estamos trabajando aquí y las obleas gigantes de seis pulgadas útiles para aplicaciones industriales. Es muy fácil de escalar».

Con los dispositivos fabricados, los investigadores pudieron probar cómo las cintas interactúan con la luz y qué tan bien pueden controlar esa interacción.

En colaboración con el grupo del profesor de ingeniería eléctrica e informática de UW-Madison, Mikhail Kats, proyectaron diferentes longitudes de onda de luz infrarroja en las estructuras e identificaron la longitud de onda donde las cintas y la luz interactuaban con más fuerza, conocida como longitud de onda resonante.

Descubrieron que a medida que disminuye el ancho de la cinta, también disminuye la longitud de onda resonante de la luz. Las longitudes de onda más bajas significaban energías más altas, y sus dispositivos interactuaron con las energías más altas medidas hasta ahora para el grafeno estructurado.

Los investigadores también pudieron ajustar las cintas aumentando la fuerza del campo eléctrico aplicado a las estructuras, reduciendo aún más la longitud de onda resonante de las estructuras. Los investigadores determinaron que una instalación tiene la flexibilidad esperada necesaria para las aplicaciones tecnológicas que pretendían lograr.

Luego compararon sus datos experimentales con los comportamientos predichos del grafeno estructurado en tres anchos de cinta diferentes y tres intensidades de campo eléctrico. Las cintas más anchas que crearon los investigadores coincidían estrechamente con los comportamientos esperados.

Pero para las cintas más estrechas, han visto un llamado cambio azul, o un cambio en energías más allá de las expectativas. El desplazamiento hacia el azul puede explicarse por el hecho de que los electrones en las cintas más pequeñas tendrían más probabilidades de interactuar y repeler entre sí.

«El corrimiento al azul que observamos indica que las longitudes de onda de las telecomunicaciones se pueden lograr con estructuras mucho más grandes de lo que se había predicho anteriormente (de ocho a 10 nanómetros), que es solo marginalmente más pequeño que las estructuras de 12 nanómetros que hicimos», dice Siegel.

Con el objetivo de ocho a 10 nanómetros mucho más cerca de lo esperado, los investigadores ahora buscan modificar sus métodos de fabricación para hacer que las cintas sean aún más estrechas. Estas nuevas nanoestructuras de grafeno también permitirán explorar la física fundamental de las interacciones luz-materia, investigación que Siegel y sus colegas están realizando actualmente.

Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (YFA D18AP00043). SNM-IS (1727523), Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (W911NF-12-1-0025 y W911NF-18-1-0149), Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0016007) y Oficina de Investigación de la Fuerza Aérea (FA9550-18 -1) -0146).

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