Lysimpulser styrer grafenernes elektriske adfærd

grafen, en ultratynd form for kulstof med exceptionel elektrisk, optisk, og mekaniske egenskaber, er blevet et fokus for forskning i en række potentielle anvendelser. Nu har forskere ved MIT fundet en måde at kontrollere, hvordan materialet leder elektricitet ved at bruge ekstremt korte lysimpulser, som kunne gøre det muligt at bruge det som bredbåndslysdetektor.

De nye resultater er offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , i et papir af kandidatstuderende Alex Frenzel, Nuh Gedik, og tre andre.

Forskerne fandt ud af, at ved at kontrollere koncentrationen af ​​elektroner i et grafenark, de kunne ændre den måde, hvorpå materialet reagerer på en kort, men intens lysimpuls. Hvis grafenarket starter med lav elektronkoncentration, pulsen øger materialets elektriske ledningsevne. Denne adfærd ligner den for traditionelle halvledere, såsom silicium og germanium.

Men hvis grafen starter med høj elektronkoncentration, pulsen mindsker dens ledningsevne - på samme måde som et metal normalt opfører sig. Derfor, ved at modulere grafens elektronkoncentration, forskerne fandt ud af, at de effektivt kunne ændre grafens fotoledende egenskaber fra halvlederlignende til metallignende.

Fundet forklarer også fotoresponsen af ​​grafen rapporteret tidligere af forskellige forskningsgrupper, som studerede grafenprøver med forskellig koncentration af elektroner. "Vi var i stand til at indstille antallet af elektroner i grafen, og få enten svar, " siger Frenzel.

For at udføre denne undersøgelse, holdet afsatte grafen oven på et isolerende lag med en tynd metallisk film under sig; ved at påføre en spænding mellem grafen og bundelektroden, elektronkoncentrationen af ​​grafen kunne indstilles. Forskerne belyste derefter grafen med en stærk lyspuls og målte ændringen af ​​elektrisk ledning ved at vurdere transmissionen af ​​et sekund, lavfrekvent lysimpuls.

I dette tilfælde, laseren udfører to funktioner. "Vi bruger to forskellige lysimpulser:en til at modificere materialet, og en til at måle den elektriske ledning, " siger Gedik, tilføjer, at de impulser, der bruges til at måle ledningen, er meget lavere frekvens end de impulser, der bruges til at ændre materialets adfærd. For at opnå dette, forskerne udviklede en enhed, der var gennemsigtig, Frenzel forklarer, for at lade laserimpulser passere gennem det.

Denne helt optiske metode undgår behovet for at tilføje ekstra elektriske kontakter til grafen. Gedik, Lawrence C. og Sarah W. Biedenharn lektor i fysik, siger, at målemetoden, som Frenzel implementerede, er en "fed teknik. Normalt, for at måle ledningsevnen skal du sætte ledninger på den, " siger han. Denne tilgang, derimod "har slet ingen kontakt."

Derudover de korte lysimpulser giver forskerne mulighed for at ændre og afsløre grafens elektriske respons på kun en billiontedel af et sekund.

I et overraskende fund, holdet opdagede, at en del af ledningsevnereduktionen ved høj elektronkoncentration stammer fra en unik egenskab ved grafen:Dets elektroner bevæger sig med en konstant hastighed, ligner fotoner, hvilket får ledningsevnen til at falde, når elektrontemperaturen stiger under belysningen af ​​laserimpulsen. "Vores eksperiment afslører, at årsagen til fotokonduktivitet i grafen er meget forskellig fra den i et normalt metal eller halvleder, " siger Frenzel.

Forskerne siger, at arbejdet kan hjælpe med udviklingen af ​​nye lysdetektorer med ultrahurtige responstider og høj følsomhed over en lang række lysfrekvenser, fra infrarød til ultraviolet. Mens materialet er følsomt over for en bred vifte af frekvenser, den faktiske procentdel af absorberet lys er lille. Praktisk anvendelse af en sådan detektor ville derfor kræve øget absorptionseffektivitet, ved at bruge flere lag grafen, siger Gedik.