grafeen, een exotische vorm van koolstof bestaande uit platen van één atoom dik, vertoont een nieuwe reactie op licht, MIT-onderzoekers hebben ontdekt:Gevonkt door de energie van licht, het materiaal kan op ongebruikelijke manieren elektrische stroom produceren. De bevinding zou kunnen leiden tot verbeteringen in fotodetectoren en nachtzichtsystemen, en mogelijk tot een nieuwe benadering voor het opwekken van elektriciteit uit zonlicht.

Dit stroomgenererende effect was eerder waargenomen, maar onderzoekers hadden ten onrechte aangenomen dat het te wijten was aan een fotovoltaïsch effect, zegt Pablo Jarillo-Herrero, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT en senior auteur van een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . De hoofdauteur van het artikel is postdoc Nathaniel Gabor; co-auteurs zijn onder meer vier MIT-studenten, MIT natuurkunde professor Leonid Levitov en twee onderzoekers van het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan.

In plaats daarvan, ontdekten de MIT-onderzoekers dat licht schijnen op een vel grafeen, behandeld zodat het twee gebieden met verschillende elektrische eigenschappen had, creëert een temperatuurverschil dat, beurtelings, genereert een stroom. Grafeen verwarmt inconsistent wanneer het wordt verlicht door een laser, Jarillo-Herrero en zijn collega's ontdekten:De elektronen van het materiaal, die stroom voeren, worden verwarmd door het licht, maar het rooster van koolstofkernen dat de ruggengraat van grafeen vormt, blijft koel. Het is dit verschil in temperatuur in het materiaal dat de stroom van elektriciteit produceert. Dit mechanisme, een "hot-carrier" -reactie genoemd, “is zeer ongebruikelijk, ', zegt Jarillo-Herrero.

Een dergelijke differentiële verwarming is eerder waargenomen, maar alleen onder zeer bijzondere omstandigheden:ofwel bij ultralage temperaturen (gemeten in duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt), of wanneer materialen worden gestraald met intense energie van een krachtige laser. Deze reactie in grafeen, daarentegen, komt voor bij een breed temperatuurbereik tot aan kamertemperatuur, en met licht dat niet intenser is dan gewoon zonlicht.

De reden voor deze ongebruikelijke thermische reactie, Jarillo-Herrero zegt, is dat grafeen is, pond voor pond, het sterkste materiaal dat bekend is. Bij de meeste materialen, oververhitte elektronen zouden energie overbrengen naar het rooster om hen heen. In het geval van grafeen, echter, dat is buitengewoon moeilijk om te doen, omdat de sterkte van het materiaal betekent dat het zeer veel energie nodig heeft om het rooster van koolstofkernen te laten trillen - dus er wordt heel weinig van de warmte van de elektronen naar dat rooster overgebracht.

Omdat dit fenomeen zo nieuw is, Jarillo-Herrero zegt dat het moeilijk is om te weten wat de uiteindelijke toepassingen kunnen zijn. “Ons werk is voornamelijk fundamentele natuurkunde, "zegt hij, maar voegt eraan toe dat "veel mensen geloven dat grafeen voor een hele reeks toepassingen kan worden gebruikt."

Maar er zijn al enkele suggesties, hij zegt:Grafeen "zou een goede fotodetector kunnen zijn" omdat het op een andere manier stroom produceert dan andere materialen die worden gebruikt om licht te detecteren. Het kan ook "over een zeer breed energiebereik detecteren, ', zegt Jarillo-Herrero. Bijvoorbeeld, het werkt heel goed in infrarood licht, wat voor andere detectoren moeilijk te hanteren kan zijn. Dat zou het een belangrijk onderdeel kunnen maken van apparaten, van nachtzichtsystemen tot geavanceerde detectoren voor nieuwe astronomische telescopen.

Het nieuwe werk suggereert dat grafeen ook kan worden gebruikt bij de detectie van biologisch belangrijke moleculen, zoals toxines, ziektevectoren of voedselverontreinigingen, waarvan vele infrarood licht afgeven wanneer ze worden verlicht. en grafeen, gemaakt van pure en overvloedige koolstof, zou een veel goedkoper detectormateriaal kunnen zijn dan de momenteel gebruikte halfgeleiders, die vaak zeldzame, dure elementen.

Het onderzoek suggereert ook dat grafeen een zeer effectief materiaal kan zijn voor het verzamelen van zonne-energie, Jarillo-Herrero zegt, omdat het reageert op een breed scala aan golflengten; typische fotovoltaïsche materialen zijn beperkt tot specifieke frequenties, of kleuren, van licht. Maar er zal meer onderzoek nodig zijn, hij zegt, toevoegen, “Het is nog onduidelijk of het kan worden gebruikt voor efficiënte energieopwekking. Het is te vroeg om te zeggen."

"Dit is de absolute kindertijd van grafeen-fotodetectoren, ', zegt Jarillo-Herrero. “Er zijn veel factoren die het beter of sneller kunnen maken, ’, die nu het onderwerp zal zijn van verder onderzoek.

Filip Kim, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Columbia University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat het werk "extreem belangrijke vooruitgang in de richting van opto-elektrische en energie-oogsttoepassingen" vertegenwoordigt op basis van grafeen. Hij voegt eraan toe dat vanwege het werk van dit team, "We hebben nu een beter begrip van foto-gegenereerde hete elektronen in grafeen, opgewonden door licht.”