Fotoeccitazioni: un team di ricercatori ha studiato le dinamiche di raffreddamento dei portatori di carica in due sistemi basati su grafene
Diverse tecnologie emergenti con applicazioni nell’optoelettronica, in particolare nel campo della comunicazione dati, sfruttano le dinamiche di rilassamento ultraveloce dei portatori di carica fotoeccitati nel grafene. Nel grafene, dopo aver raggiunto uno stato eccitato attraverso l’assorbimento di fotoni, i portatori di carica subiscono un processo di rilassamento composto da più fasi in cui rilasciano l’energia in eccesso che hanno acquisito e ritornano allo stato fondamentale. La comprensione dei meccanismi che entrano in gioco nella fase nota come raffreddamento, ha attratto notevole interesse scientifico perché è cruciale nello sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici. Tale fase è influenzata sia dalla qualità del campione di grafene, ovvero da come è stato preparato, sia dai materiali che lo circondano, ovvero substrato o materiali incapsulanti.
In un articolo pubblicato su ACSNano, un team internazionale coordinato da Klaas-Jan Tielrooij del Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) ha studiato le dinamiche di raffreddamento dei portatori di carica in due sistemi basati su grafene e ha dimostrato che, anche in campioni di altissima qualità, il tempo di vita di una fotoeccitazione a temperatura ambiente è limitato a pochi picosecondi, ovvero millesimi di miliardesimi di secondo. Allo studio hanno partecipato ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr-Nano) e dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) presso il laboratorio NEST di Scuola Normale Superiore, e del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.
I ricercatori hanno studiato due casi esemplari e tecnologicamente rilevanti di grafene di alta qualità: grafene incapsulato da diselenuro di tugsteno e grafene sospeso su una matrice di carbonio. “In tali sistemi i processi legati al disordine cristallino sono soppressi e questo ci ha permesso di mettere in luce i meccanismi intriseci al materiale”, spiega Eva Pogna di Cnr-Nano. “I tempi di rilassamento delle cariche che abbiamo osservato, di pochi picosecondi, sono molto più brevi del previsto, e per spiegarli è necessario considerare l’alta efficienza dello scambio di energia con i fononi ottici del grafene, un processo sempre presente ed indipendente dai materiali in diretto contatto con il grafene”. Continua Pogna: “Lo studio mostra che esiste un limite intrinseco alla possibilità di ottenere tempi di rilassamento più lunghi e fornisce una chiara evidenza sperimentale all’interno del dibattito esistente su quali sono i fattori che influenzano la competizione tra i diversi processi di rilassamento nel grafene”.
Questi risultati “aiuteranno a definire nuovi parametri operazionali per ottenere un grafene con fotoeccitazioni più durature e migliorare le performance di dispositivi optoelettronici a base di grafene”, conclude la ricercatrice.
E A A Pogna, X Jia, A Principi, A Block, L Banszerus, J Zhang, X Liu, T Sohier, S Forti, K Soundarapandian, B Terrés, J D Mehew, C Trovatello, C Coletti, F H L Koppens, M Bonn, N van Hulst, M J Verstraete, H Peng, Z Liu, C Stampfer, G Cerullo, and K-J Tielrooij, Hot-Carrier Cooling in High-Quality Graphene is Intrinsically Limited by Optical Phonons, ACS Nano.DOI: 10.1021/acsnano.0c10864
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