Fotoexciteret grafen-puslespil løst

Lysdetektion og -styring er kernen i mange moderne enhedsapplikationer, såsom smartphone-kameraer. Brug af grafen som et lysfølsomt materiale til lysdetektorer kan tilbyde betydelige forbedringer med hensyn til materialer, der bruges i dag. For eksempel, grafen kan detektere lys af næsten enhver farve, og det giver et ekstremt hurtigt elektronisk svar inden for en milliontedel af en milliontedel af et sekund. Dermed, for korrekt at designe grafenbaserede lysdetektorer er det afgørende at forstå de processer, der finder sted inde i grafenet, efter at det absorberer lys.

De Mainz-baserede forskere Dr. Hai Wang, Professor Dmitry Turchinovich, Professor Mathias Kläui, og professor Mischa Bonn, i samarbejde med forskere fra forskellige europæiske laboratorier, det er nu lykkedes at forstå disse processer. Projektet blev ledet af Dr. Klaas-Jan Tielrooij fra ICFO i Spanien, som for nylig blev valgt til gæsteprofessor ved Materials Science i Mainz (MAINZ) Graduate School of Excellence.

Udgivet for nylig i Videnskabens fremskridt , deres arbejde giver en grundig forklaring på, hvorfor grafenledningsevnen i nogle tilfælde stiger efter lysabsorption, mens den falder i andre. Forskerne var i stand til at vise, at denne adfærd korrelerer med den måde, hvorpå energien fra det absorberede lys strømmer til grafenelektronerne:Efter lys er absorberet af grafen, de processer, hvorigennem grafenelektroner opvarmes, sker ekstremt hurtigt og med en meget høj effektivitet.

For højt dopet grafen med mange frie elektroner til stede, ultrahurtig elektronopvarmning fører til bærere med forhøjet energi, såkaldte hot carriers. Det her, på tur, fører til et fald i ledningsevnen. Interessant nok, for svagt dopet grafen med færre frie elektroner, elektronopvarmning fører til skabelsen af ​​yderligere frie elektroner og, dermed, en stigning i ledningsevnen. Disse ekstra bærere er det direkte resultat af grafenens hulfri natur. I gabende materialer, elektronopvarmning fører ikke til yderligere frie bærere.

Dette simple scenarie med lysinduceret elektronopvarmning i grafen kan forklare mange observerede effekter. Udover at beskrive materialets ledende egenskaber efter lysabsorption, det kan forklare bærer multiplikation, hvor én absorberet lyspartikel under specifikke forhold, dvs. en foton, kan indirekte generere mere end én ekstra fri elektron og dermed skabe en effektiv fotorespons i en enhed.

Resultaterne af papiret og, i særdeleshed, at forstå elektronopvarmningsprocesser nøjagtigt, vil helt sikkert betyde et stort løft i design og udvikling af grafen-baseret lysdetektionsteknologi.