211service.com
Registrering af lys med grafen
Forskere har udforsket grafens ekstraordinære elektroniske egenskaber til adskillige applikationer i løbet af de sidste par år, fra superhurtige transistorer til ekstremt tætte hukommelseschips. Nu, for første gang, udnytter IBM-forskere grafens unikke egenskaber til optoelektronik ved at bruge grafenplader til at lave fotodetektorer.
Lysdetektor: Et scanning-elektron-mikroskop-billede og et optisk billede (indsat) viser en grafen-fotodetektor med høj båndbredde. Metalkontakter aflejret på grafenen skaber et elektrisk felt, der adskiller elektroner, hvilket gør det muligt for enheden at detektere lys.
Lysdetektorer er typisk lavet ved hjælp af III-V halvledere - materialer lavet af flere elementer såsom gallium og fosfor. Når lys rammer disse materialer, danner hver foton, der absorberes, et elektron-hul-par, og elektronerne bliver derefter ført ud af materialet for at producere en elektrisk strøm.
Grafen - et ark af kulstofatomer forbundet i en honeycomb-struktur - transporterer elektroner titusinder gange hurtigere end III-V-halvledere. Det betyder, at grafenfotodetektorer kan arbejde ved ekstremt høje frekvenser, hvilket gør dem meget effektive til at detektere lys og transportere de resulterende elektroner til et eksternt kredsløb. Materialet absorberer også bølgelængder lige fra synlige til infrarøde, hvorimod tynde lag af III-V halvledere ikke absorberer mange infrarøde frekvenser.
Grafen er allerede blevet brugt til at fremstille flere slags transistorer, herunder ultrahøje radiofrekvensenheder. De stærkt ledende atomtykke plader kunne også erstatte dyrt og sprødt indiumtinoxid som elektrodemateriale i fleksible fladskærme og tynde solceller. Folk overvejer også grafen til ultrakondensatorelektroder og til tæt og superhurtig computerhukommelse.
På trods af alle disse elektroniske applikationer betragtede mange eksperter grafen som mindre end ideelt til optiske enheder. Dette skyldes, at de elektroner og huller, der genereres af indkommende fotoner, normalt kombineres i grafen inden for snesevis af picosekunder, hvilket efterlader ingen frie elektroner til strøm. Dette sker også i et metal. Men den hastighed, hvormed de ladede partikler bevæger sig i grafen, er nøglen, siger Phaedon Avouris , leder for videnskab og teknologi i nanometerskala ved IBMs T. J. Watson Research Center og forskeren, der ledede arbejdet, som er beskrevet i et papir offentliggjort online i Natur nanoteknologi . Hvis vi kan have en slags elektrisk felt til at adskille elektron-hul-parrene, kan vi samle dem hurtigt nok [til strøm].
Det er allerede kendt, at når metalkontakter aflejres på grafen, genereres elektriske felter ved grænsefladen mellem de to materialer. Så forskerne udnyttede dette felt. Deres enhed er et stykke flerlags grafen med metalkontakter på toppen. Når de lyser nær kontakten, adskiller feltet elektronerne og hullerne, og der genereres en strøm.
Lysdetektor : En grafenfotodetektor udnytter det elektriske felt, der skabes ved grænsefladen mellem metalkontakter (guld) og grafen. Når lys falder på grafen, hjælper feltet med at adskille elektroner fra huller, hvilket fører til en elektrisk strøm.
Et enkelt ark grafen absorberer 2,3 procent af det lys, der falder på det, en betydelig mængde for et et-atom-tykt materiale. Du har en fotodetektor, der har en række fordele: den absorberer over et bredt bølgelængdeområde, den er meget hurtig, den har en høj absorbans, den er et enkelt atomlag, siger Avouris. Denne kombination gør den ret unik.
Ultrahurtige fotodetektorer kan finde anvendelse i fremtidige optiske kommunikationsnetværk med datahastigheder på over 40 gigabit pr. sekund; lige nu har optiske netværk datahastigheder på omkring 10 gigabit pr. sekund. Fotodetektorerne kunne også bruges i optiske computere, der beregner med elektroner, men overfører data ved hjælp af lys i stedet for at sende det over varmetilbøjelige kobbertråde. Fengnian Xia, en medforfatter af papiret, siger, at grafen også ville være en bedre detektor for terahertz-stråling, som har vist lovende for medicinsk og sikkerhedsmæssig billeddannelse.
Grafen er et fantastisk materiale til elektronik, siger Andre Geim , en professor i fysik ved University of Manchester, U.K. Meget få mennesker kunne tænke på, at optoelektronik er af nogen interesse med dette materiale. Det er som frisk luft.
Forskerne får strøm som reaktion på lysimpulser med en frekvens på 40 gigahertz. Frekvenser højere end dette er ikke muligt med nutidens elektronik, siger Avouris, men grafen kunne i teorien muliggøre fotodetektorer, der arbejder ved frekvenser endnu højere end 0,5 terahertz.