De efficiënte omzetting van licht in elektriciteit speelt een cruciale rol in veel technologieën, variërend van camera's tot zonnecellen. Het vormt ook een essentiële stap in datacommunicatietoepassingen, omdat het ervoor zorgt dat informatie die door licht wordt gedragen, wordt omgezet in elektrische informatie die in elektrische circuits kan worden verwerkt. Grafeen is een uitstekend materiaal voor ultrasnelle omzetting van licht in elektrische signalen, maar tot nu toe was niet bekend hoe snel grafeen reageert op ultrakorte lichtflitsen.

ICFO-onderzoekers Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte en Achim Woessner onder leiding van ICFO prof. Frank Koppens en ICREA prof. bij ICFO Niek van Hulst, in samenwerking met wetenschappers van de onderzoeksgroep onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero aan het MIT en de onderzoeksgroep onder leiding van Jeanie Lau aan UC Riverside, hebben nu aangetoond dat een op grafeen gebaseerde fotodetector geabsorbeerd licht met een extreem hoge snelheid omzet in een elektrische spanning. De studie, getiteld "Generatie van fotospanning in grafeen op een femtoseconde tijdschaal door efficiënte dragerverwarming", is onlangs gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Het nieuwe apparaat dat de onderzoekers ontwikkelden, kan licht in minder dan 50 femtoseconden (een twintigste van een miljoenste van een miljoenste van een seconde) omzetten in elektriciteit. Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een combinatie van ultrasnelle pulsvormige laserexcitatie en zeer gevoelige elektrische uitlezing. Zoals Klaas-Jan Tielrooij opmerkt, "het experiment combineerde op unieke wijze de expertise op het gebied van ultrasnelle pulsvormgeving, verkregen uit ultrasnelle fotonica met één molecuul, met de expertise in grafeenelektronica. Gefaciliteerd door de niet-lineaire foto-thermo-elektrische respons van grafeen, deze elementen maakten de observatie van femtoseconde fotodetectiereactietijden mogelijk."

Het ultrasnelle creëren van een fotospanning in grafeen is mogelijk dankzij de extreem snelle en efficiënte interactie tussen alle geleidingsbanddragers in grafeen. Deze interactie leidt tot een snelle creatie van een elektronenverdeling bij een verhoogde elektronentemperatuur. Dus, de uit licht geabsorbeerde energie wordt efficiënt en snel omgezet in elektronenwarmte. Volgende, de elektronenwarmte wordt omgezet in een spanning op het grensvlak van twee grafeengebieden met verschillende dotering. Dit foto-thermo-elektrisch effect blijkt bijna onmiddellijk op te treden, waardoor de ultrasnelle omzetting van geabsorbeerd licht in elektrische signalen mogelijk wordt. Zoals prof. van Hulst stelt, "Het is verbazingwekkend hoe grafeen directe niet-lineaire detectie van ultrasnelle femtoseconde (fs) pulsen mogelijk maakt".

De resultaten die zijn verkregen uit de bevindingen van dit werk, die gedeeltelijk is gefinancierd door het EC Graphene Flagship, een nieuwe weg openen naar ultrasnelle opto-elektronische conversie. Zoals prof. Koppens opmerkt, "Grafeenfotodetectoren blijven fascinerende prestaties leveren voor een breed scala aan toepassingen".