Grafen skubber hastighedsgrænsen for lys-til-el-konvertering

Effektiv omdannelse af lys til elektricitet spiller en afgørende rolle i mange teknologier, lige fra kameraer til solceller. Det udgør også et væsentligt trin i datakommunikationsapplikationer, da det giver mulighed for, at information båret af lys kan konverteres til elektrisk information, der kan behandles i elektriske kredsløb. Grafen er et fremragende materiale til ultrahurtig konvertering af lys til elektriske signaler, men indtil videre var det ikke kendt, hvor hurtigt grafen reagerer på ultrakorte lysglimt.

ICFO-forskere Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte og Achim Woessner ledet af ICFO prof. Frank Koppens og ICREA prof. ved ICFO Niek van Hulst, i samarbejde med forskere fra forskningsgruppen ledet af Pablo Jarillo-Herrero ved MIT og forskningsgruppen ledet af Jeanie Lau ved UC Riverside, har nu påvist, at en grafen-baseret fotodetektor omdanner absorberet lys til en elektrisk spænding med ekstrem høj hastighed. Studiet, med titlen "Generering af fotospænding i grafen på femtosekunds tidsskala gennem effektiv bæreropvarmning", er for nylig blevet udgivet i Natur nanoteknologi .

Den nye enhed, som forskerne udviklede, er i stand til at omdanne lys til elektricitet på mindre end 50 femtosekunder (en tyvendedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund). At gøre dette, forskerne brugte en kombination af ultrahurtig pulsformet laserexcitation og meget følsom elektrisk udlæsning. Som Klaas-Jan Tielrooij kommenterer, "eksperimentet kombinerede enestående den ultrahurtige pulsformningsekspertise opnået fra ultrahurtig fotonik med enkelt molekyle med ekspertise inden for grafenelektronik. Faciliteret af grafens ikke-lineære fototermoelektriske respons, disse elementer muliggjorde observation af femtosekund fotodetektions responstider."

Den ultrahurtige skabelse af en fotospænding i grafen er mulig på grund af den ekstremt hurtige og effektive interaktion mellem alle ledningsbåndbærere i grafen. Denne interaktion fører til en hurtig skabelse af en elektronfordeling med en forhøjet elektrontemperatur. Dermed, energien absorberet fra lys omdannes effektivt og hurtigt til elektronvarme. Næste, elektronvarmen omdannes til en spænding ved grænsefladen mellem to grafenområder med forskellig doping. Denne foto-termoelektriske effekt viser sig at opstå næsten øjeblikkeligt, dermed muliggør den ultrahurtige konvertering af absorberet lys til elektriske signaler. Som prof. van Hulst siger, "det er forbløffende, hvordan grafen tillader direkte ikke-lineær detektering af ultrahurtige femtosekund (fs) pulser".

Resultaterne opnået fra resultaterne af dette arbejde, som er delvist finansieret af EC Graphene Flagship, åbne en ny vej mod ultrahurtig optoelektronisk konvertering. Som Prof. Koppens kommenterer, "Graphene fotodetektorer bliver ved med at vise fascinerende præstationer, der adresserer en bred vifte af applikationer".