Dipartimento di Fisica

Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, è un materiale che racchiude al suo interno numerose proprietà che lo rendono unico. Infatti, possiede caratteristiche termiche ed elettriche migliori di quelle del rame, è più resistente dell’acciaio, flessibile come la plastica e più leggero dell’alluminio. Queste peculiarità hanno stimolato un eccezionale interesse nella comunità scientifica per lo sviluppo di nuovi dispositivi tecnologici.  Nell'ottica di trasferire queste proprietà su scala industriale, un requisito fondamentale è lo sviluppo di una tecnica efficiente e non distruttiva in grado di caratterizzare campioni di grafene. Al giorno d’oggi la spettroscopia Raman rappresenta lo strumento più utilizzato per questo scopo, in grado di fornire dettagliate informazioni strutturali, sfruttando lo spettro vibrazionale per individuare e quantificare l’eventuale presenza di difetti o di impurezze, per determinare il numero di strati che compongono il campione o per monitorarne la risposta a stimoli esterni (come applicazione di una tensione, stress meccanici o variazioni termiche). Tuttavia, la bassa sezione d’urto del processo Raman, dovuta alla natura incoerente e spontanea del meccanismo di scattering, ha sinora limitato l’utilizzo di questo approccio in ambito industriale, dove invece sarebbero richiedeste tecniche più rapide.

Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza, in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia, la Cambridge University ed il Politecnico di Milano, ha dimostrato come, utilizzando coppie di impulsi di luce ultrabrevi (di durata inferiore a un milionesimo di milionesimo di secondo), è possibile ottenere immagini di campioni di grafene tramite una tecnica Raman coerente detta Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS). “La spettroscopia Raman coerente sfrutta due impulsi di luce per generare e sondare vibrazioni reticolari in campioni di grafene” spiega Tullio Scopigno, coordinatore dalla ricerca. “Nel CARS le vibrazioni atomiche sono stimolate coerentemente, quindi tutti gli atomi oscillano in fase tra loro: questo porta alla generazione di segnali non-lineari ordini di grandezza più intensi rispetto al Raman spontaneo”.  Grazie a questa proprietà, il CARS si è recentemente affermato come una delle tecniche più utili e versatili per caratterizzare in modo rapido e non invasivo numerosi tipi di campioni permettendo scansioni in video-rate. Tuttavia, fino ad oggi misure CARS su grafene non erano mai state ottenute. Come spiega Alessandra Virga, infatti: “In virtù della sua peculiare struttura a bande, con assenza di bandgap in prossimità dei cosiddetti coni di Dirac, nel grafene qualsiasi eccitazione laser è elettronicamente risonante e genera un intenso segnale -denominato non resonant background (NRB) - in grado di interferire distruttivamente con la risposta CARS. L’interferenza tra CARS e NRB implica una diminuzione (picco negativo) del segnale complessivo rispetto al NRB in corrispondenza dei modi Raman, dunque una sorta di foto su pellicola negativa dello spettro Raman”. Queste osservazioni hanno permesso di chiarire l’origine fisica delle difficoltà sperimentali nel misurare spettri CARS su grafene. Confrontando la risposta NRB con il segnale CARS misurato in corrispondenza dei modi Raman, è stato dimostrato come trasformare questo limite in un vantaggio, sviluppando una tecnica capace di acquisire immagini di fogli di grafene con la stessa informazione strutturale del Raman, combinata la rapidità della spettroscopia coerente.

La ricerca, appena pubblicata su Nature Communications, ha importanti implicazioni per il campo emergente della fotonica basata su grafene, ovvero per dispositivi quali celle solari, LED, laser impulsati, touchscreen e photodetector, aprendo nuove prospettive per caratterizzazione di campioni di grafene.

Reference
Nature

Authors
A. Virga, C. Ferrante, G. Batignani, D. De Fazio, A. D. Nunn, A. C. Ferrari, G. Cerullo, T. Scopigno