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(noticias nanowerk) Los científicos han desarrollado una nueva estrategia para aumentar significativamente la sensibilidad de los sensores basados en grafeno que detectan moléculas mediante espectroscopia Raman. Modulando la estructura de bandas electrónicas del grafeno, los investigadores pudieron optimizar la energía necesaria para estudiar diferentes moléculas. Este avance proporciona una plataforma versátil para una captura mejorada de una variedad de analitos objetivo.
Los resultados fueron publicados como Acceso Abierto en Avances optoelectrónicos (“Modulación ferroeléctrica del nivel Fermi de óxido de grafeno para mejorar la respuesta SERS”).
La espectroscopia Raman se basa en la dispersión inelástica de la luz láser de las moléculas para determinar su estructura y composición química. La eficiencia de esta técnica aumenta significativamente mediante el uso de sustratos a base de grafeno, un enfoque conocido como espectroscopia Raman mejorada con grafeno (GERS). Hay dos mecanismos detrás del GERS: un efecto electromagnético debido a las propiedades optoelectrónicas únicas del grafeno y un efecto químico basado en la transferencia de carga interfacial entre el grafeno y la molécula en estudio.
Si bien la amplificación electromagnética ha sido bien estudiada, optimizar la contribución química alineando la estructura de bandas del grafeno con la molécula objetivo podría mejorar aún más la sensibilidad. Esto requiere ajustar las posiciones relativas de las bandas de energía entre la banda de conducción, la banda de valencia y el nivel de Fermi de grafeno con los orbitales moleculares más altos ocupados y más bajos desocupados (HOMO y LUMO) del analito. La alineación de bandas resultante facilita la transferencia de carga fotoinducida y mejora la señal Raman.
Para lograr esta sintonización de banda, investigadores de la Universidad Normal de Shandong en China acoplaron nanohojas de óxido de grafeno (GO) con el material ferroeléctrico PMN-PT. Utilizaron la polarización eléctrica intrínseca de PMN-PT por debajo de su temperatura de Curie para dopar electrostáticamente el GO, cambiando su nivel de Fermi según la dirección de polarización. Esto proporcionó una forma flexible de adaptar de manera óptima la estructura de bandas de GO a diferentes moléculas sonda simplemente cambiando la temperatura.
Utilizando la polarización descendente de PMN-PT, el equipo mejoró el dopaje de tipo p de GO y acercó su nivel de Fermi al HOMO de la molécula de prueba rodamina 6G. Esto coincidió mejor con la energía de los fotones del láser de sonda y aumentó la eficiencia de la transferencia de carga fotoinducida. Como resultado, lograron una mejora de 100 veces en la sensibilidad y pudieron detectar rodamina 6G en concentraciones de hasta 10-9 moles por litro.
Más importante aún, modular la fuerza de polarización variando la temperatura permitió la detección de múltiples moléculas con diferentes estructuras de bandas. El violeta cristal y el azul de metileno se percibieron de manera óptima alrededor de 0 °C, cuando una polarización más fuerte indujo un dopaje de tipo p más fuerte en GO. Sin embargo, el compuesto aromático p-nitrotiofenol requirió una polarización más débil y temperaturas más altas, alrededor de 40 °C. Los investigadores pudieron cambiar fácilmente entre estas condiciones para mejorar la señal Raman de cada analito.
Esta alineación de banda bajo demanda mediante dopaje ferroeléctrico con temperatura controlada ofrece una plataforma de sensor versátil. El método de acoplamiento grafeno-ferroeléctrico podría extenderse a otros materiales 2D, permitiendo una amplificación química optimizada entre diferentes moléculas objetivo. Simplemente ajustando la temperatura, el mismo sustrato puede detectar diferentes analitos sin tener que rediseñar la arquitectura del sensor.
La flexibilidad y sensibilidad de este enfoque ofrece un potencial significativo para aplicaciones del mundo real, como diagnóstico médico, monitoreo ambiental y control de calidad de medicamentos. Un mayor desarrollo podría integrar este sistema de material en dispositivos de espectrómetro Raman portátiles. Optimizando el sustrato y el láser de prueba, los investigadores quieren mejorar la detección hasta el nivel de moléculas individuales.
Esta investigación proporciona nuevos conocimientos sobre el mecanismo químico detrás de la espectroscopia Raman mejorada con grafeno. El dopaje electrostático con ferroeléctricos ofrece una forma práctica de explotar este efecto y aumentar el rendimiento de los sensores Raman. La capacidad de modular activamente la alineación de bandas permite un análisis químico versátil y altamente sensible de múltiples moléculas objetivo utilizando una única plataforma.
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