جذب تمام طیف نور با استفاده از گرافن


نتایج همایش نهایی پروژه NanoCap

نتایج تحقیقات نظری نشان می‌دهد که اگر ورقه‌های گرافن
در ابعادی مشخص و در فاصله‌ای از پیش تعیین شده روبروی هم قرارگیرند
می‌توانند 100 درصد نور تابیده شده به‌خود را جذب کنند. نتایج این تحقیق
می‌تواند منجر به ساخت ادوات الکترونیک نوری جدید شود.

در دستگاه‌های
نوری، همیشه بخش از پرتو به‌دلیل انعکاس از دست می‌رود. اخیرا تحقیقاتی
توسط دانشمندان اسپانیایی و انگلیسی آغاز شده است که نشان می‌دهد اگر گرافن
در ابعادی مناسب سنتز شده و در فاصله مناسبی از یکدیگر قرار گیرند آنگاه
جذب این نور در آنها 100 درصد است.


یک ورقه گرافن به تنهایی برای جذب نور مناسب نیست، این ماده تنها
می‌تواند 2.3 درصد از نور را جذب کند. اما اگر ابعاد گرافن کوچک شود یا
به‌صورت نانوصفحاتی در آید، پلاسمون‌ها می‌تواند برای افزایش نرخ جذب
وارد عمل شوند. پلاسمون‌ها نوسانات الکترونی در سطح کوانتومی هستند که
به‌دلیل میدان الکتریکی که تولید می‌کنند می‌توانند با نور برهمکنش ‌دهند.
برای این که این نوسانات در گرافن اتفاق بی‌افتد، نیاز به یک بار الکتریکی
کوچک است. با تغییر مقدار بار می‌توان مقدار نوسانات را نیز تغییر داد. با
تغییر نوسانات می‌توان میزان برهمکنش نور را تعیین کرد و آن را به‌مقدار
مورد نظر رساند. برای این که بتوان شرایط را به‌نحوی تغییر داد که نوسانات
بتواند با تمام طول موج‌های نور برهمکنش دهد باید مقدار دقیق بار مورد نیاز
مشخص شود. برای این کار نیز فرمول‌های ریاضی باید به‌کار گرفته شود. اما
برای این که بتوان میدان الکتریکی مناسبی ایجاد کرد، گرافن باید به شکلی
درآید که نوسانات آن قابل کنترل شود، بنابراین گرافن باید به‌صورت صفحه‌ای
شکل درآید. این کار به‌صورت تئوری انجام شده است، حال دانشمندان در عمل
باید گرافن‌ها را در این ابعاد تولید کرده تا ماکزیمم مقدار جذب در آنها
انجام شود. یک نکته مهم دیگر نیز باقی مانده و آن موقعیت گرافن‌ها نسبت به
یکدیگر است. اگر ورقه‌های گرافن نزدیک به‌هم باشند آنگاه با هم برهمکنش
می‌دهند و اگر از هم دور باشند به‌دلیل وجود میدان الکتریکی غیر یکنواخت،
بازده جذب نور کاهش می‌یابد.

قدم بعدی در این پروژه آن است که بتوان در
عمل چنین ساختاری را تولید کرد. اگر آنچه که طراحی شده به‌طور دقیق اجرا
شود، آنگاه یک دستگاه نوری  بسیار کارا مانند اسپکترومتر می‌تواند
تولید شود.

نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای تحت عنوان  Complete Optical
Absorption in Periodically Patterned Graphene در نشریه Physical Review
Letters به چاپ رسیده است.