Hvor længe lever elektroner i grafen?

Sammen med internationale kolleger, forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har tilføjet en anden vigtig komponent til forståelse af materialet grafen; et materiale, der i øjeblikket får stor opmærksomhed:De har bestemt elektronernes levetid i grafen i lavere energiområder. Dette er af stor relevans for den fremtidige udvikling af hurtige elektroniske og optoelektroniske komponenter. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i online -udgaven af ​​tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Efter opdagelsen af ​​grafen var blevet tildelt Nobelprisen i fysik sidste år, mange forskerhold rundt om i verden har søgt bedre at forstå materialets grundlæggende egenskaber for at tillade så lovende elektroniske og optoelektroniske applikationer som transistorer og hurtige detektorer til optisk datatransmission. Grafen - et enkelt kullag, der har sine atomer arrangeret i en sekskant som en bikage - er også meget interessant som et gennemsigtigt elektrodemateriale til fladskærme og solceller. Ifølge HZDR -forskeren Dr. Stephan Winnerl, grafen kan erstatte det knappe højteknologiske metalindium på dette område.

Med tilskud fra det tyske forskningsfonds prioritetsprogram "Graphene" og midler fra Den Europæiske Union, Stephan Winnerl og hans kolleger ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sammen med forskere fra Technische Universität (TU) Berlin, Grenoble High Magnetic Field Laboratory, og Georgia Institute of Technology, USA, formået at bestemme elektronernes "levetid" i grafen i lavere energiområder, som ikke var undersøgt før.

Elektronernes karakteristiske adfærd i bestemte energiområder, der typisk findes i faste stoffer, er en af ​​de mange fysiske egenskaber, hvor grafen er fundamentalt forskellig fra de fleste andre materialer:Normalt elektroner kan kun vedtage specifikke energiniveauer (disse kaldes energibånd), men ikke andre (disse omtales som energigab). Dette princip bruges, for eksempel, for sådanne optoelektroniske komponenter som lysemitterende dioder, der udsender lys ved meget specifikke bølgelængder:Dette frigiver energi, som elektronerne frigør, mens de "springer over" energigab.

Men grafens adfærd adskiller sig fra andre halvledere:Energibåndene rører hinanden uden at der forekommer huller. I stedet for at udsende lys, grafen er i stand til at absorbere strålingen fra lavere energier under det synlige spektrum, såsom terahertz og infrarødt lys; dermed, hvilket gør det til et suverænt materiale til detektorer.

For at kunne udvikle hurtige elektroniske og optoelektroniske komponenter baseret på grafen, man skal vide præcist, hvor længe elektroner bliver ved med bestemte energiniveauer. Undersøgelsen af ​​sådanne processer, der forekommer i picosekundområdet, dvs. tidsskalaen på en milliontedel af en milliontiende sekund, kræver ekstremt hurtige observationsmetoder. Det unikke ved træk ved Helmholtz-Zentrum i Dresden er eksponeringen af ​​grafenprøverne for lys, der havde længere bølgelængder end nogensinde før. Dette blev muliggjort gennem de korte strålingsimpulser fra HZDR's Free Electron Laser (FEL). Forskerne var, dermed, i stand til at studere elektronernes levetid nær kontaktpunktet for energibåndene, som er den unikke fysiske egenskab, der er karakteristisk for grafen.

FEL ophidsede grafenprøverne med lys, der havde forskellige bølgelængder i det infrarøde område. Forskerne opdagede, at energien fra lyspartiklerne, der spænder elektronerne såvel som atomgitterets oscillationer, påvirker elektronernes levetid:Hvis lyspartiklernes energi er større end energien i gitteroscillationerne, så vil elektronerne ændre deres energitilstand hurtigere og have en kortere levetid. Omvendt elektronerne vil blive hængende længere ved et specifikt energiniveau, hvis excitationsenergien er lavere end energien fra gitteroscillationerne.

Den indsigt, der er opnået ved forsøgene, er underbygget af modelberegninger fra TU Berlin. Disse beregninger tillader en klar tildeling af eksperimentelle data til de fysiske mekanismer i grafen. Forskerne har, dermed, ydet et værdifuldt bidrag til en bedre forståelse af grafens elektroniske og optiske egenskaber.