grafeen, een ultradunne vorm van koolstof met uitzonderlijke elektrische, optisch, en mechanische eigenschappen, is uitgegroeid tot een focus van onderzoek naar een verscheidenheid aan mogelijke toepassingen. Nu hebben onderzoekers van MIT een manier gevonden om te controleren hoe het materiaal elektriciteit geleidt door extreem korte lichtpulsen te gebruiken. die het gebruik als breedbandlichtdetector mogelijk zou kunnen maken.

De nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van afgestudeerde student Alex Frenzel, Nuh Gedik, en drie anderen.

De onderzoekers ontdekten dat door de concentratie van elektronen in een grafeenblad te regelen, ze kunnen de manier waarop het materiaal reageert op een korte maar intense lichtpuls veranderen. Als de grafeenplaat begint met een lage elektronenconcentratie, de puls verhoogt de elektrische geleidbaarheid van het materiaal. Dit gedrag is vergelijkbaar met dat van traditionele halfgeleiders, zoals silicium en germanium.

Maar als het grafeen begint met een hoge elektronenconcentratie, de puls vermindert zijn geleidbaarheid - op dezelfde manier waarop een metaal zich gewoonlijk gedraagt. Daarom, door de elektronenconcentratie van grafeen te moduleren, de onderzoekers ontdekten dat ze de fotogeleidende eigenschappen van grafeen effectief konden veranderen van halfgeleiderachtig naar metaalachtig.

De bevinding verklaart ook de fotorespons van grafeen die eerder door verschillende onderzoeksgroepen werd gerapporteerd, die grafeenmonsters met verschillende elektronenconcentraties bestudeerde. "We waren in staat om het aantal elektronen in grafeen af ​​te stemmen, en krijg een van beide reacties, ’ zegt Frezel.

Om deze studie uit te voeren, het team deponeerde grafeen op een isolerende laag met een dunne metalen film eronder; door een spanning aan te leggen tussen grafeen en de onderste elektrode, de elektronenconcentratie van grafeen zou kunnen worden afgestemd. De onderzoekers verlichtten vervolgens grafeen met een sterke lichtpuls en maten de verandering van elektrische geleiding door de transmissie van een seconde te beoordelen, laagfrequente lichtpuls.

In dit geval, de laser vervult dubbele functies. "We gebruiken twee verschillende lichtpulsen:één om het materiaal aan te passen, en een om de elektrische geleiding te meten, "Gedik zegt, eraan toevoegend dat de pulsen die worden gebruikt om de geleiding te meten een veel lagere frequentie hebben dan de pulsen die worden gebruikt om het materiaalgedrag te wijzigen. Om dit te bereiken, de onderzoekers ontwikkelden een apparaat dat transparant was, Frenzel legt uit, om er laserpulsen doorheen te laten gaan.

Deze volledig optische methode vermijdt de noodzaak om extra elektrische contacten aan het grafeen toe te voegen. Gedik, de Lawrence C. en Sarah W. Biedenharn universitair hoofddocent natuurkunde, zegt dat de meetmethode die Frenzel implementeerde een "coole techniek" is. om geleidbaarheid te meten moet je er snoeren op doen, "zegt hij. Deze benadering, daarentegen, "heeft helemaal geen contact."

Aanvullend, de korte lichtpulsen stellen de onderzoekers in staat om de elektrische respons van grafeen in slechts een biljoenste van een seconde te veranderen en te onthullen.

In een verrassende bevinding het team ontdekte dat een deel van de vermindering van de geleidbaarheid bij hoge elektronenconcentratie voortkomt uit een uniek kenmerk van grafeen:de elektronen reizen met een constante snelheid, vergelijkbaar met fotonen, waardoor de geleidbaarheid afneemt wanneer de elektronentemperatuur stijgt onder de belichting van de laserpuls. "Ons experiment onthult dat de oorzaak van fotogeleiding in grafeen heel anders is dan die in een normaal metaal of halfgeleider, ’ zegt Frezel.

De onderzoekers zeggen dat het werk kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe lichtdetectoren met ultrasnelle responstijden en hoge gevoeligheid voor een breed scala aan lichtfrequenties. van infrarood naar ultraviolet. Hoewel het materiaal gevoelig is voor een breed frequentiebereik, het werkelijke percentage geabsorbeerd licht is klein. Praktische toepassing van een dergelijke detector zou daarom een ​​grotere absorptie-efficiëntie vereisen, bijvoorbeeld door meerdere lagen grafeen te gebruiken, zegt Gedik.