Een internationaal onderzoeksteam, mede geleid door een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een nieuw mechanisme ontdekt voor ultra-efficiënte lading en energiestroom in grafeen, mogelijkheden scheppen voor de ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten voor het oogsten van licht.

De onderzoekers fabriceerden ongerept grafeen - grafeen zonder onzuiverheden - in verschillende geometrische vormen, smalle linten en kruisen verbinden met wijd open rechthoekige gebieden. Ze ontdekten dat wanneer licht vernauwde gebieden verlichtte, zoals het gebied waar een smal lint twee brede gebieden verbond, ze ontdekten een grote door licht geïnduceerde stroom, of fotostroom.

De bevinding dat ongerept grafeen licht zeer efficiënt in elektriciteit kan omzetten, zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiënte en ultrasnelle fotodetectoren - en mogelijk efficiëntere zonnepanelen.

grafeen, een 1-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster, heeft veel gewenste materiaaleigenschappen, zoals hoge stroomvoerende capaciteit en thermische geleidbaarheid. In principe, grafeen kan licht absorberen op elke frequentie, waardoor het ideaal materiaal is voor infrarood en andere soorten fotodetectie, met brede toepassingen in bio-sensing, in beeld brengen, en nachtzicht.

In de meeste apparaten voor het oogsten van zonne-energie, een fotostroom ontstaat alleen in de aanwezigheid van een kruising tussen twee ongelijke materialen, zoals "pn"-knooppunten, de grens tussen twee soorten halfgeleidermaterialen. De elektrische stroom wordt gegenereerd in het verbindingsgebied en beweegt door de verschillende gebieden van de twee materialen.

"Maar in grafeen, alles veranderd, " zei Nathaniel Gabor, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de UCR, die het onderzoeksproject mede leidde. "We ontdekten dat fotostromen kunnen ontstaan ​​in ongerept grafeen onder een speciale omstandigheid waarin het hele vel grafeen volledig vrij is van overtollige elektronische lading. Het genereren van de fotostroom vereist geen speciale knooppunten en kan in plaats daarvan worden gecontroleerd, verrassend genoeg, door simpelweg de grafeenplaat in ongebruikelijke configuraties te snijden en te vormen, van ladderachtige lineaire reeksen contacten, tot nauw vernauwde rechthoeken, naar taps toelopende en terrasvormige randen."

Ongerept grafeen is volledig ladingsneutraal, wat betekent dat er geen overtollige elektronische lading in het materiaal zit. Wanneer aangesloten op een apparaat, echter, een elektronische lading kan worden geïntroduceerd door een spanning aan te leggen op een nabijgelegen metaal. Deze spanning kan een positieve lading veroorzaken, negatieve lading, of een perfecte balans tussen negatieve en positieve ladingen, zodat het grafeenblad perfect ladingsneutraal is.

"Het lichtoogstapparaat dat we hebben gefabriceerd is slechts zo dik als een enkel atoom, " zei Gabor. "We zouden het kunnen gebruiken om apparaten te ontwerpen die semi-transparant zijn. Deze kunnen worden ingebed in ongebruikelijke omgevingen, zoals ramen, of ze kunnen worden gecombineerd met andere, meer conventionele apparaten voor het oogsten van licht om overtollige energie te oogsten die gewoonlijk niet wordt geabsorbeerd. Afhankelijk van hoe de randen in vorm worden gesneden, het apparaat kan buitengewoon verschillende signalen afgeven."

Het onderzoeksteam rapporteert deze eerste waarneming van een geheel nieuw fysiek mechanisme - een fotostroom die wordt gegenereerd in ladingsneutraal grafeen zonder dat pn-overgangen nodig zijn - in Natuur Nanotechnologie vandaag.

Eerder werk van het Gabor-lab toonde een fotostroom in grafeenresultaten van zeer opgewonden "hete" ladingsdragers. Wanneer licht grafeen raakt, hoogenergetische elektronen ontspannen om een ​​populatie van veel relatief koelere elektronen te vormen, Gabor legde uit, die vervolgens als stroom worden verzameld. Hoewel grafeen geen halfgeleider is, deze door licht geïnduceerde hete elektronenpopulatie kan worden gebruikt om zeer grote stromen op te wekken.

"Al dit gedrag is te wijten aan de unieke elektronische structuur van grafeen, " zei hij. "In dit 'wondermateriaal' ' lichtenergie wordt efficiënt omgezet in elektronische energie, die vervolgens over opmerkelijk lange afstanden in het materiaal kunnen worden getransporteerd."

Hij legde uit dat ongeveer een decennium geleden, Er werd voorspeld dat ongerept grafeen zeer ongebruikelijk elektronisch gedrag zou vertonen:elektronen zouden zich als een vloeistof moeten gedragen, waardoor energie kan worden overgedragen via het elektronische medium in plaats van door ladingen fysiek te verplaatsen.

"Maar ondanks deze voorspelling, er waren geen fotostroommetingen gedaan op ongerepte grafeenapparaten - tot nu toe, " hij zei.

Het nieuwe werk over ongerept grafeen laat zien dat elektronische energie grote afstanden aflegt zonder overmatige elektronische lading.

Het onderzoeksteam heeft bewijs gevonden dat het nieuwe mechanisme resulteert in een sterk verbeterde fotorespons in het infraroodregime met een ultrahoge werksnelheid.

"We zijn van plan dit effect verder te bestuderen in een breed scala aan infrarood- en andere frequenties, en meet de reactiesnelheid, " zei eerste auteur Qiong Ma, een postdoctoraal medewerker natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology, of MIT.