Grafen viser usædvanlig termoelektrisk reaktion på lys

grafen, en eksotisk form for kulstof bestående af plader med et enkelt atom tykt, udviser en ny reaktion på lys, MIT-forskere har fundet:Udløst af lysets energi, materialet kan producere elektrisk strøm på usædvanlige måder. Fundet kan føre til forbedringer i fotodetektorer og nattesynssystemer, og muligvis til en ny tilgang til at generere elektricitet fra sollys.

Denne strømgenererende effekt var blevet observeret før, men forskere havde fejlagtigt antaget, at det skyldtes en fotovoltaisk effekt, siger Pablo Jarillo-Herrero, en adjunkt i fysik ved MIT og seniorforfatter af et nyt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab . Avisens hovedforfatter er postdoc Nathaniel Gabor; medforfattere inkluderer fire MIT-studerende, MIT -fysikprofessor Leonid Levitov og to forskere ved National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan.

I stedet, MIT-forskerne fandt, at skinnende lys på et ark grafen, behandlet, så det havde to områder med forskellige elektriske egenskaber, skaber en temperaturforskel, der på tur, genererer en strøm. Grafen opvarmes inkonsekvent, når det belyses af en laser, Jarillo-Herrero og hans kolleger fandt:Materialets elektroner, som fører strøm, opvarmes af lyset, men gitteret af kulstofkerner, der danner grafens rygrad, forbliver køligt. Det er denne forskel i temperatur i materialet, der producerer strømmen af ​​elektricitet. Denne mekanisme, kaldte et "hot-carrier" svar, "er meget usædvanligt, ” siger Jarillo-Herrero.

Sådan differentialopvarmning er blevet observeret før, men kun under meget specielle omstændigheder:enten ved ultralave temperaturer (målt i tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt), eller når materialer sprænges med intens energi fra en højeffektlaser. Dette svar i grafen, derimod forekommer over et bredt temperaturområde helt op til stuetemperatur, og med lys ikke mere intenst end almindeligt sollys.

Årsagen til denne usædvanlige termiske reaktion, Jarillo-Herrero siger, er det grafen, pund for pund, det stærkeste kendte materiale. I de fleste materialer, overophedede elektroner ville overføre energi til gitteret omkring dem. I tilfælde af grafen, imidlertid, det er ekstremt svært at gøre, da materialets styrke betyder, at det kræver meget høj energi at vibrere dets gitter af carbonkerner - så meget lidt af elektronernes varme overføres til det gitter.

Fordi dette fænomen er så nyt, Jarillo-Herrero siger, at det er svært at vide, hvad dets ultimative applikationer kan være. ”Vores arbejde er for det meste grundlæggende fysik, " siger han, men tilføjer, at "mange mennesker tror, ​​at grafen kan bruges til en lang række applikationer."

Men der er allerede nogle forslag, han siger:Grafen "kunne være en god fotodetektor", fordi det producerer strøm på en anden måde end andre materialer, der bruges til at detektere lys. Det kan også "detektere over et meget bredt energiområde, ”Siger Jarillo-Herrero. For eksempel, det fungerer meget godt i infrarødt lys, hvilket kan være svært for andre detektorer at håndtere. Det kan gøre det til en vigtig komponent i enheder fra nattesyn til avancerede detektorer til nye astronomiske teleskoper.

Det nye arbejde antyder, at grafen også kan finde anvendelse til påvisning af biologisk vigtige molekyler, såsom toksiner, sygdomsvektorer eller fødevarekontaminanter, hvoraf mange afgiver infrarødt lys, når de er oplyst. Og grafen, lavet af rent og rigeligt kulstof, kunne være et meget billigere detektormateriale end nuværende halvledere, der ofte inkluderer sjældne, dyre elementer.

Forskningen tyder også på, at grafen kan være et meget effektivt materiale til opsamling af solenergi, Jarillo-Herrero siger, fordi det reagerer på en bred vifte af bølgelængder; typiske solcellematerialer er begrænset til specifikke frekvenser, eller farver, af lys. Men mere forskning vil være nødvendig, han siger, tilføjer, "Det er stadig uklart, om det kan bruges til effektiv energiproduktion. Det er for tidligt at sige."

“Dette er den absolutte barndom for grafenfotodetektorer, ” siger Jarillo-Herrero. "Der er mange faktorer, der kunne gøre det bedre eller hurtigere, ”, Som nu vil blive genstand for yderligere forskning.

Philip Kim, en lektor i fysik ved Columbia University, som ikke var involveret i denne forskning, siger, at arbejdet repræsenterer "ekstremt vigtig fremgang i retning af optoelektriske og energi-høstende applikationer" baseret på grafen. Han tilføjer, at på grund af dette teams arbejde, "Vi har nu en bedre forståelse af fotogenererede varme elektroner i grafen, begejstret for lys. ”