Grafen multiplicerer lysets kraft

Kunne grafen omdanne lys til elektricitet? Forskere har vist, at grafen kan omdanne en enkelt foton til flere elektroner, viser meget lovende for fremtidige solcelleanlæg.

Grafen er et materiale, der har opnået enorm popularitet i de senere år, på grund af dens ekstraordinære styrke og lette vægt. Det kan genereres ved bogstaveligt talt at skrælle det af grafit, eller ved at dyrke det oven på forskellige materialer, hvilket gør produktionen omkostningseffektiv. Undersøgelser har antydet, at grafen også kan bruges som fotovoltaisk materiale, forvandler lys til elektricitet. Ved at bruge en banebrydende spektroskopisk metode, forskere ved EPFL og samarbejdspartnere har vist, at ved at absorbere en enkelt foton, grafen kan generere flere elektroner, der har nok energi til at drive en elektrisk strøm. Værket er udgivet i Nano bogstaver .

Grafen er fascinerende med hensyn til grundlæggende fysik, fordi den er bedre til at lede strøm ved stuetemperatur end f.eks. kobber, hvilket gør den ideel til ultrahurtige kredsløb. Ud over, grafen har vist sig at lede elektricitet efter at have absorberet lys, hvilket betyder, at det også kunne bruges i solcelleanlæg. Men indtil nu, grafens potentiale for effektiv lys-til-elektricitet konvertering var ikke godt forstået.

Dette er en udfordrende opgave, da denne konvertering finder sted på en femto-sekund skala (10-15 sek; en kvadrilliontedel af et sekund), for hurtigt til konventionelle teknikker til at detektere elektronbevægelser. For at overvinde denne forhindring, Jens Christian Johannsen fra Marco Grionis laboratorium på EPFL, med kolleger på Aarhus Universitet og ELETTRA i Italien, anvendte en sofistikeret teknik kaldet "ultrahurtig tids- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi" (trARPES). Forsøgene blev udført på det verdenskendte Rutherford Appleton Laboratory i Oxford.

Med denne metode, en lille prøve af grafen placeres i et ultrahøjt vakuumkammer. Grafenen rammes derefter med en ultrahurtig 'pumpe'-puls af laserlys. Dette exciterer elektronerne i grafen, "hæve" dem til højere energitilstande, hvor de faktisk kan drive en elektrisk strøm. Mens elektronerne er i disse tilstande, grafenprøven rammes med en tidsforsinket, 'probe'-impuls, der bogstaveligt talt tager et øjebliksbillede af den energi, hver elektron har i det øjeblik. Sekvensen gentages hurtigt for forskellige tidspunkter, som en stop-motion film, og fanger elektronernes dynamik i en live-action sekvens.

En foton, mange elektroner

Forskerne brugte "dopede" prøver af grafen, hvilket betyder, at de tilføjede eller fratrak elektroner fra det ved kemiske midler. Eksperimentet viste, at når dopet grafen absorberer en enkelt foton, dette kan excitere flere elektroner og gøre det proportionalt med graden af ​​doping. Fotonen exciterer en elektron, som derefter hurtigt "falder" tilbage til sin grundtilstand af energi. Som det gør det, "faldet" ophidser to elektroner mere i gennemsnit som en afsmittende effekt. "Dette indikerer, at en fotovoltaisk enhed, der bruger dopet grafen, kunne vise betydelig effektivitet i at konvertere lys til elektricitet", siger Marco Grioni.

Forskerne har foretaget den første direkte observation nogensinde af grafens foton-elektron multiplikationseffekt, hvilket gør materialet til en meget lovende byggesten til enhver enhed, der er afhængig af at omdanne lys til elektricitet. For eksempel, nye fotovoltaiske enheder, der bruger grafen, kunne høste lysenergi over hele solspektret med lavere energitab end nuværende systemer.

Bygger på deres banebrydende teknologi og eksperimentelle succes, forskerne planlægger nu at udforske lignende effekter i andre todimensionelle materialer, såsom molybdændisulfid (MoS ₂ ), et materiale, der allerede er i rampelyset for dets bemærkelsesværdige elektroniske og katalytiske egenskaber.