Lichtdetectie en -regeling vormen de kern van veel moderne apparaattoepassingen, zoals smartphonecamera's. Het gebruik van grafeen als lichtgevoelig materiaal voor lichtdetectoren kan aanzienlijke verbeteringen opleveren ten opzichte van de materialen die tegenwoordig worden gebruikt. Bijvoorbeeld, grafeen kan licht van bijna elke kleur detecteren, en het geeft een extreem snelle elektronische respons binnen een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Dus, om op grafeen gebaseerde lichtdetectoren goed te ontwerpen, is het cruciaal om de processen te begrijpen die plaatsvinden in het grafeen nadat het licht heeft geabsorbeerd.

De in Mainz gevestigde onderzoekers Dr. Hai Wang, Professor Dmitry Turchinovich, Professor Mathias Kläui, en professor Mischa Bonn, in samenwerking met wetenschappers van verschillende Europese laboratoria, zijn er nu in geslaagd deze processen te begrijpen. Het project werd geleid door Dr. Klaas-Jan Tielrooij van ICFO in Spanje, die onlangs werd verkozen tot gasthoogleraar aan de Graduate School of Excellence van Materials Science in Mainz (MAINZ).

Onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , hun werk geeft een grondige verklaring waarom de geleidbaarheid van grafeen in sommige gevallen toeneemt na lichtabsorptie, terwijl deze in andere afneemt. De onderzoekers konden aantonen dat dit gedrag correleert met de manier waarop de energie van het geabsorbeerde licht naar de grafeenelektronen stroomt:nadat het licht door het grafeen is geabsorbeerd, de processen waardoor grafeenelektronen opwarmen, gebeuren extreem snel en met een zeer hoog rendement.

Voor sterk gedoteerd grafeen met veel vrije elektronen aanwezig, ultrasnelle elektronenverwarming leidt tot dragers met verhoogde energie, zogenaamde hotcarriers. Dit, beurtelings, leidt tot een afname van de geleidbaarheid. Interessant genoeg, voor zwak gedoteerd grafeen met minder vrije elektronen, elektronenverwarming leidt tot het creëren van extra vrije elektronen en, dus, een toename van de geleidbaarheid. Deze extra dragers zijn het directe resultaat van het gapless karakter van grafeen. In gespleten materialen, elektronenverwarming leidt niet tot extra vrije dragers.

Dit eenvoudige scenario van door licht geïnduceerde elektronenverwarming in grafeen kan veel waargenomen effecten verklaren. Naast het beschrijven van de geleidende eigenschappen van het materiaal na lichtabsorptie, het kan dragervermenigvuldiging verklaren, waarbij onder bepaalde omstandigheden één geabsorbeerd lichtdeeltje, d.w.z., een foton, kan indirect meer dan één extra vrij elektron genereren en zo een efficiënte fotorespons binnen een apparaat creëren.

De resultaten van het papier en, vooral, het nauwkeurig begrijpen van elektronenverwarmingsprocessen, zal zeker een grote impuls betekenen in het ontwerp en de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde lichtdetectietechnologie.