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Nano-strisce sottilissime di grafene per led e fotovoltaico del futuro?

  • 12 Aprile 2016

I nanoribbons di grafene potrebbero essere utili per produrre, rivelare e controllare la luce, oltre ad assorbirla e convertirla in energia, grazie a fenomeni quantistici, definiti bieccitoni. Il loro utilizzo sembra promettente per illuminazione a led e fotovoltaico. Uno studio del Cnr e del Politecnico di Milano pubblicato su Nature Communications.

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I nanoribbons, nano-strisce sottilissime, di grafene sono potenzialmente utili per produrre, rivelare e controllare la luce oltre ad assorbirla e convertirla in energia grazie a fenomeni quantistici chiamati bieccitoni. Il loro utilizzo è particolarmente promettente anche nel settore fotovoltaico.

Se ne parla in uno studio pubblicato su Nature Communications (vedi in fondo). Si tratta del lavoro di un gruppo di ricercatori di due Istituti del Consiglio nazionale delle ricerche, l’Istituto di Nanoscienze (Nano-Cnr) e l’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr), in collaborazione con Politecnico di Milano, Università di Modena e Reggio Emilia e Max Planck Institute di Mainz.

Come si riporta dal comunicato dell’Istituto di Nanoscienze, a differenza dei fogli di grafene semi-metallici, i nanoribbons di grafene si comportano come semiconduttori con interessanti proprietà ottiche. “Abbiamo utilizzato il grafene ridotto in strisce larghe meno di cinque nanometri, pari a un decimillesimo dello spessore di un capello – spiega Deborah Prezzi di Nano-Cnr di Modena – In tale configurazione il grafene diventa un semiconduttore, proprietà indispensabile per applicazioni ottiche, e al contempo mantiene molte caratteristiche del materiale semi-metallico. Il grafene così modificato potrebbe essere impiegato in dispositivi ottici, come Led, laser e celle solari”.

Il team di scienziati ha studiato i processi ultraveloci che avvengono nei nanoribbons di grafene in seguito all’eccitazione con impulsi di luce laser ultra brevi.

In questo caso un elettrone del grafene viene eccitato e si genera una lacuna di carica, tipica dei semiconduttori, che si lega all’elettrone a formare il cosiddetto eccitone. Esperimenti e simulazioni mostrano che due eccitoni possono formare a loro volta degli aggregati fortemente legati, i bieccitoni.

Questi effetti quantistici sono dovuti alle dimensioni estremamente ridotte dei nanoribbons, spessi un solo atomo e larghi appena una decina, e sono alla base del funzionamento di vari dispositivi ottici, come ad esempio i processi di moltiplicazione di carica all’interno delle celle solari.

L’esperimento è stato possibile grazie a un avanzato sistema di spettroscopìa sviluppato nei laboratori di Ifn-Cnr e Politecnico di Milano che, spiega Giulio Cerullo del Dipartimento di Fisica del Politecnico, “permette di ‘fotografare’ fenomeni che evolvono in tempi che vanno dai femto ai pico-secondi, vale a dire meno di un millesimo di miliardesimo di secondo. Abbiamo osservato che i bieccitoni si formano molto rapidamente e danno luogo ad emissione stimolata di luce con grande efficienza. Un risultato che potrebbe aprire la strada all’utilizzo dei nanoribbons di grafene come materiali attivi in laser, fotorivelatori e altri dispositivi ottici”.

Il grafene potrebbe portare una vera rivoluzione nel campo dei materiali ed essere la base per un’infinità di utilizzi, tanto che alcuni lo considerano la plastica del futuro. Nel mondo scientifico internazionale attorno a questo materiale ci sono ormai da alcuni anni molte aspettative proprio per le diverse possibili applicazioni e prodotti che potrebbero consentire di realizzare: dai telefoni cellulari che si piegano, ai computer ultra sottili fino alle batterie che durano a lungo e si ricaricano in tempi brevi, “spugne” per stoccare l’idrogeno e pannelli fotovoltaici flessibili, trasparenti e super-efficienti.

Lo studio pubblicato su Nature Communications:

Exciton–exciton annihilation and biexciton stimulated emission in graphene nanoribbons – G. Soavi, S. Dal Conte, C. Manzoni, D. Viola, A. Narita, Y. Hu, X. Feng, U. Hohenester, E. Molinari, D. Prezzi, K. Müllen, G. Cerullo – Nature Communications 7 (A.n.110109), DOI:10.1038/ncomms11010

Immagine in alto: Copyright © Deborah Prezzi, NANO-Cnr Modena

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