Hvordan infrarødt lys kan fanges af grafen nanostrukturer

Grafen nanostrukturer har unikke egenskaber, der gør dem i stand til at fange infrarødt lys effektivt. Her er hvordan grafen nanostrukturer kan interagere med og fange infrarød stråling:

Resonansabsorption: Grafen nanostrukturer kan udvise resonant absorption af infrarødt lys på grund af deres plasmoniske egenskaber. Plasmoner er kollektive svingninger af frie elektroner, der kan exciteres af indfaldende lys med specifikke frekvenser. Når frekvensen af ​​infrarødt lys matcher resonansfrekvensen af ​​grafen nanostrukturer, fører det til øget absorption. Resonansabsorptionen kan justeres yderligere ved at kontrollere størrelsen, formen og arrangementet af grafen nanostrukturer.

Overfladeplasmonresonans: Overfladeplasmonresonans (SPR) er et fænomen, der opstår, når infrarødt lys interagerer med metal-dielektriske grænseflader. Grafen, som er et halvmetal, kan også understøtte SPR. Når infrarødt lys rammer en grafen nanostruktur, exciterer det overfladeplasmoner, som forplanter sig langs grafenoverfladen og interagerer med det indfaldende lys. Denne interaktion fører til øget absorption og indeslutning af infrarødt lys i grafen-nanostrukturen.

Interband-overgange: Grafen består af et enkelt lag af carbonatomer arrangeret i et sekskantet gitter. Den elektroniske båndstruktur af grafen udviser en unik egenskab kaldet Dirac-keglen, som resulterer i masseløse ladningsbærere. Disse ladningsbærere kan exciteres fra valensbåndet til ledningsbåndet ved at absorbere infrarøde fotoner. Mellembåndsovergangene i grafen giver en anden mekanisme til at fange infrarødt lys.

Forbedret lys-stof-interaktion: Den todimensionelle natur af grafen nanostrukturer giver mulighed for stærk lys-stof-interaktion. Grafen har et højt forhold mellem overfladeareal og volumen, hvilket øger sandsynligheden for interaktion mellem infrarødt lys og grafenatomer. Denne forbedrede lys-stof-interaktion bidrager til effektiv absorption og indfangning af infrarød stråling.

Justerbare egenskaber: Egenskaberne af grafen nanostrukturer, såsom deres størrelse, form, dopingniveau og stablekonfiguration, kan skræddersyes til at optimere deres interaktion med infrarødt lys. Ved at konstruere disse parametre er det muligt at opnå selektiv og effektiv indfangning af specifikke infrarøde bølgelængder.

Ved at kombinere disse mekanismer tilbyder grafen nanostrukturer lovende muligheder for at opfange og udnytte infrarødt lys i forskellige applikationer, herunder termisk billeddannelse, infrarød sensing, energihøst og optoelektronik.