Cristalli fotonici in grafene

I Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell’INFN, in collaborazione con l’Accademia Nazionale delle Scienze di Kiev e il Politecnico di Lviv in Ucraina, e con l’Istituto Fraunhofer di Potsdam-Golm in Germania hanno proposto l’obiettivo di sviluppare strutture a cristalli fotonici (CF) effettive formate da una distribuzione di nanoparticelle (NP) in matrice polimerica per applicazioni sensoristiche e per spettroscopia fluorescente e Raman. Le competenze del gruppo NEXT di nanotecnologia dei LNF, da decenni impegnato nel campo dei materiali carboniosi nanostrutturati per applicazioni elettroniche [1], hanno permesso negli ultimi anni di ottenere riconoscimenti nel campo della progettazione di biosensori a DNA e delle applicazioni in campo biologico, medico e ambientale di dispositivi ad alto contenuto tecnologico basati su materiali innovativi quali i nanotubi in carbonio ed il primo materiale bidimensionale stabile e dalle proprietà eccezionali, il grafene.
Il nuovo progetto Nanocomposite based photonic crystal sensors of biological and chemical agents, diretto da Stefano Bellucci, responsabile scientifico per l’INFN del progetto bandiera europeo sul grafene (Graphene Flagship), e fondatore e leader del gruppo NEXT, è finanziato dalla NATO nell’ambito del programma Scienza per la Pace e si propone di realizzare prototipi di strutture a CF, progettati per rilevare in modo non distruttivo e rapido piccolissime quantità (dell’ordine di 100 femtogrammi, fino addirittura a singole molecole) di tossine biologiche e chimiche e monitorare con alta sensibilità l’inquinamento ambientale causato da agenti biologici e chimici. Il progetto propone un nuovo approccio basato sulla deposizione di speciali strati di riconoscimento, quali i nano-flakes di grafene e gli ossidi di terre rare, sulla superficie del CF per il rilevamento di diversi agenti chimicamente correlati allo strato di riconoscimento. Al contrario delle strutture di risonanza a rilievo che sono ampiamente utilizzate al giorno d’oggi, proponiamo di utilizzare strutture CF risonanti per guide d’onda con modulazione periodica della permittività. Le strutture CF in nanocompositi fotosensibili verranno realizzate mediante litografia olografica. Useremo nanocompositi fotopolimerici originali, sviluppati dai membri dei gruppi di ricerca tedeschi e ucraini che partecipano al Progetto e che comprendono NP di diversa natura, visibili in Figura 1. Le strutture del CF si formano a causa della ridistribuzione diffusiva delle NP, come i nano-flakes di grafene, nella matrice polimerica durante l’esposizione a un modello di interferenza. La struttura periodica e il suo spessore, come pure l’indice di rifrazione del materiale, possono essere variati in modo tale che la struttura possa supportare risonanze dei modi guidati di guida d’onda nell’intervallo di lunghezze d’onda designato.

 [1] S. Bellucci, Carbon nanotubes: physics and applications, Physica Status Solidi C, Volume 2, Gennaio 2005, Pagg. 34–47