Uno studio del Cnr rivela per la prima
volta in questo materiale che un impulso luminoso brevissimo moltiplica ‘a
cascata’ gli elettroni, aumentandone le potenzialità fotovoltaiche. Lo studio,
condotto con Politecnico di Milano, Normale di Pisa, Università di Cambridge e
Manchester, è pubblicato su Nature Communications
Il grafene si conferma ‘materiale delle meraviglie’. Un team di ricercatori
dell'Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell'Istituto di fotonica e
nanotecnologie (Ifn-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) ha
osservato per la prima volta un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per
aumentare l'efficienza di dispositivi fotovoltaici come le celle solari: il
grafene, sottoposto a impulsi luminosi estremamente brevi, innesca un processo
di moltiplicazione a cascata degli elettroni. Il risultato, in collaborazione
con Politecnico di Milano, Scuola normale superiore e Università di Cambridge e
Manchester, è pubblicato su Nature Communications.
“Studiare il comportamento degli elettroni nel reticolo bidimensionale di questo
materiale, che è costituito da un foglio monoatomico di atomi di carbonio, è la
chiave per capirne e sfruttarne al meglio le eccezionali proprietà: conduzione
di elettricità e calore migliore del rame, leggerezza e resistenza maggiori
dell'acciaio”, spiega Marco Polini di Nano-Cnr di Pisa. “Un aspetto ancora poco
noto, per esempio, è cosa accade agli elettroni dopo che un lampo intenso e
ultra-breve di luce li ha fortemente perturbati: abbiamo pertanto indagato le
primissime fasi successive alla foto-eccitazione, quando gli elettroni,
riscaldati dalla luce a temperature di migliaia di gradi, si raffreddano in un
tempo brevissimo”.
I ricercatori hanno dimostrato che in questo caso i fotoni incidenti innescano
un processo di ‘moltiplicazione a cascata’ degli elettroni. “Un fenomeno noto
come 'carrier multiplication', grazie al quale, per ciascun fotone assorbito dal
grafene, più elettroni si mettono in moto e incrementano la corrente elettrica”,
continua Polini. “La possibilità di innescare questo fenomeno potrebbe
migliorare le prestazioni delle tecnologie fotovoltaiche e dei dispositivi
optoelettronici in termini di efficienza, robustezza, risparmio energetico”.
“La moltiplicazione di carica è estremamente difficile da rilevare poiché dura
appena un centinaio di femtosecondi, meno di un milionesimo di milionesimo di
secondo!”, spiega Giulio Cerullo di Ifn-Cnr e Politecnico di Milano. “Per
studiare effetti fisici su scale temporali così brevi servono impulsi luminosi
altrettanto brevi, che siamo stati in grado di ottenere con tecniche di
spettroscopia ultra-veloce capaci di 'comprimere' la luce. Il nostro esperimento
rappresenta al momento l’evidenza sperimentale più chiara del fenomeno nel
grafene”.
I gruppi di Nano-Cnr, Ifn-Cnr, Politecnico di Milano, Sns, Cambridge e
Manchester, autori dello studio, hanno un ruolo di primo piano nella Graphene
Flagship, il progetto europeo premiato con un maxi-finanziamento di un miliardo
di euro per i prossimi dieci anni, che ha ufficialmente preso il via il primo
ottobre scorso e coinvolge oltre 70 partner scientifici e industriali, con lo
scopo di portare il grafene dai laboratori di ricerca alle applicazioni,
attraverso tecnologie in una vastissima gamma di settori.