Οπτική – Γραφένιο: Επιστήμονες εξηγούν την κομψή οπτική συμπεριφορά του δισδιάστατου γραφένιου

Αν η απλότητα διαμορφώνει μια όμορφη εξίσωση, τότε αυτή που περιγράφει την οπτική απορρόφηση του γραφένιου είναι κάτι το απίθανο. Για μια ευρεία περιοχή μηκών κύματος υπερύθρου και ορατού φωτός, η απορρόφηση του φωτός – το κλάσμα του φωτός που μπλοκάρεται – από το γραφένιο είναι ίση με (π α), όπου π: ο γνωστός λόγος μήκους περιφέρεια προς το μήκος της διαμέτρου ενός κύκλου και α: η σταθερά λεπτής υφής, με μέτρο [(e^2)[2 ε(0) h c]^-1], [όπου e: το στοιχειώδες φορτίου του ηλεκτρονίου, ε(0): η διαπερατότητα του κενού χώρου, h: η σταθερά του Planck, c: η ταχύτητα του φωτός] και τιμή περίπου ίση με 1/137, για την ακρίβεια 1/137,036, η οποία μετρήθηκε το 2008. Μπορεί η σχέση για την απορρόφηση να είναι απλή (π α), όμως μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η αιτία του φαινομένου, λένε οι Daniel Merthe και Vitaly Kresin του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας, στο Los Angeles, οι οποίοι έκαναν ένα καινούριο υπολογισμό της οπτικής απορρόφησης του γραφένιου.

Οι περισσότεροι υπολογισμοί της οπτικής απορρόφησης του γραφένιου υποθέτουν ότι η σταθερή τιμή του (π α) στο υπέρυθρο και ορατό, πηγάζει από την απορρόφηση από ηλεκτρόνια των οποίων η ενέργεια μεταβάλλεται γραμμικά με την ορμή τους, όπως προτείνεται από τις χαρακτηριστικές κωνικού σχήματος ηλεκτρονικές ενεργειακές ζώνες του υλικού. Ωστόσο, το 2013, ερευνητές μελετώντας τις οπτικές ιδιότητες του ατομικά λεπτού αρσενιούχου ινδίου βρήκαν ότι η απορρόφησή του μπορεί επίσης να σχετίζεται απλά με το (π α), ακόμη και αν ο ημιαγωγός έχει συμβατικές ζώνες με παραβολικό σχήμα.

Τα αποτελέσματα αυτά υποστηρίζουν ότι κάτι άλλο από το σχήμα των ενεργειακών ζωνών είναι στη ρίζα της οπτικής απορρόφησης του γραφένιου και άλλων δισδιάστατων ημιαγωγών. Έτσι οι Merthe και Kresin υπολόγισαν την απορρόφηση σε τέτοια υλικά, κάνοντας μόνο λίγες υποθέσεις: τα ηλεκτρόνια που απορροφούν το φως είναι περιορισμένα σε δυο διαστάσεις, η ενέργεια είναι μια ειδική συνάρτηση της ορμής τους και το υλικό έχει ένα άμεσο ενεργειακό χάσμα*. Οι υπολογισμοί τους αποδίδουν τη σταθερή απορρόφηση του γραφένιου και του αρσενιούχου ινδίου στα υπέρυθρα και ορατά μήκη κύματος. Στα υπεριώδη μήκη κύματος, αναπαράγουν μια οπτική απορρόφηση σε σχήμα με κορυφή, που μετρήθηκε στο γραφένιο.

*Άμεσο ενεργειακό χάσμα: Ένα ενεργειακό χάσμα καλείται «άμεσο» εάν η ορμή των ηλεκτρονίων και των οπών είναι η ίδια και στις δυο ζώνες ενός ημιαγωγού, τη ζώνη αγωγιμότητας και τη ζώνη σθένους, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμψει ένα φωτόνιο άμεσα. Σε ένα «έμμεσο» χάσμα, ένα φωτόνιο δεν μπορεί να εκπέμπεται επειδή το ηλεκτρόνιο πρέπει να περάσει μέσα μιας ενδιάμεσης κατάστασης και μεταφέρει ορμή στο κρυσταλλικό πλέγμα.

Πηγή: APS

Περισσότερα στη δημοσίευση: Transparency of graphene and other direct-gap two-dimensional materials. Physical Review B.