Ultrahurtig fotodetektor og terahertz-generator

Fotodetektorer lavet af grafen kan behandle og lede lyssignaler såvel som elektriske signaler ekstremt hurtigt. Inden for picosekunder genererer den optiske stimulering af grafen en fotostrøm. Indtil nu, ingen af ​​de tilgængelige metoder var hurtige nok til at måle disse processer i grafen. Forskere ved Technische Universitaet Muenchen, Tyskland, nu udviklet en metode til at måle den tidsmæssige dynamik af denne fotostrøm. Desuden opdagede de, at grafen kan udsende terahertz-stråling.

Grafen efterlader et ret beskedent indtryk ved første øjekast. Materialet omfatter intet andet end kulstofatomer ordnet i et enkeltlags "tæppe". Endnu, Det, der gør grafen så fascinerende for videnskabsmænd, er dets ekstremt høje ledningsevne. Denne egenskab er især nyttig i udviklingen af ​​fotodetektorer. Det er elektroniske komponenter, der kan detektere stråling og omdanne den til elektriske signaler.

Graphens ekstremt høje ledningsevne inspirerer videnskabsmænd til at bruge det i designet af ultrahurtige fotodetektorer. Imidlertid, indtil nu, det var ikke muligt at måle den optiske og elektroniske adfærd af grafen med hensyn til tid, dvs. hvor lang tid der går mellem den elektriske stimulering af grafen og frembringelsen af ​​den respektive fotostrøm.

Alexander Holleitner og Leonhard Prechtel, forskere ved Walter Schottky Institut ved TU Muenchen og medlemmer af Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM), besluttede at forfølge dette spørgsmål. Fysikerne udviklede først en metode til at øge tidsopløsningen af ​​fotostrømmålinger i grafen til picosekundersområdet. Dette gjorde det muligt for dem at registrere pulser så korte som et par picosekunder. (Til sammenligning:En lysstråle, der rejser med lyshastighed, har brug for tre picosekunder for at udbrede sig en millimeter.)

Det centrale element i de inspicerede fotodetektorer er frit ophængt grafen integreret i elektriske kredsløb via metalliske kontakter. Den tidsmæssige dynamik af fotostrømmen blev målt ved hjælp af såkaldte co-planar strip linjer, der blev evalueret ved hjælp af en speciel tidsopløst laserspektroskopi-procedure - pumpe-probe-teknikken. En laserpuls exciterer elektronerne i grafenet, og dynamikken i processen overvåges ved hjælp af en anden laser. Med denne teknik var fysikerne i stand til at overvåge præcist, hvordan fotostrømmen i grafen genereres.

På samme tid, forskerne kunne drage fordel af den nye metode til at foretage en yderligere observation:De fandt bevis for, at grafen, når optisk stimuleret, udsender stråling i terahertz (THz) området. Dette ligger mellem infrarødt lys og mikrobølgestråling i det elektromagnetiske spektrum. Det særlige ved THz-stråling er, at den viser egenskaber, der deles af begge tilstødende frekvensområder:Den kan samles som partikelstråling, men trænger stadig ind i stof som elektromagnetiske bølger. Dette gør den ideel til materialetest, til screening af pakker eller til visse medicinske anvendelser.