Как графен превращает свет в электричество
 Двумерная гексагональная структура графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Фотоприемники – устройства, которые реагируют на свет, преобразуя оптические сигналы в электрический ток – обычно используются в таких приложениях, как связь, зондирование поверхностей или обработка изображений. При этом большинство фотоприемников изготавливаются из полупроводников III – V групп таблицы Менделеева, к примеру, из арсенида галлия. Функционируют они за счет поглощения фотонов полупроводником с образованием электронно-дырочной пары. Впоследствии пара разделяется – таким образом, генерируется электрический ток.
Графен существенно отличается от привычных полупроводниковых материалов. Он представляет собой слой углерода толщиной всего в один атом с гексагональной кристаллической решеткой. Графен обладает рядом уникальных физико-механических свойств, которые делают его идеальным для обнаружения световых квантов. В частности, одним из важных преимуществ этого материала является то, что электроны движутся в нем гораздо быстрее, чем в других материалах. По-сути, они ведут себя как безмассовые фермионы Дирака, путешествующие со скоростью равной 1/300 скорости света. Подобное поведение электронов может быть использовано в целом ряде практических приложений, включая более быстрые (по сравнению с существующими на сегодняшний день аналогами) транзисторы. Кроме того, графен хорошо поглощает свет в очень широком диапазоне длин волн, включая видимую и инфракрасную области спектра.
До сих пор ученые считали, что при поглощении света графеном проявляется, как минимум, пять различных механизмов: фотоэлектрический, термоэлектрический и болометрический эффекты, а также фотодесорбция кислорода или усиление на фототранзисторе. Группа ученых из IBM TJ Watson Research Center (США) в своих экспериментах подробно рассмотрела все возможные эффекты на примере полевого транзистора из графена. Оказалось, что, из перечисленных вариантов при взаимодействии со светом задействуются лишь два эффекта, причем механизм в значительной степени зависит от концентрации носителей заряда.
Когда графен поглощает свет, образующаяся в процессе пара электрон-дырка очень быстро начинает взаимодействовать с другими свободными носителями. Эти взаимодействия увеличивают общую температуру электронов, при этом электроны остаются «горячими» продолжительное время, поскольку они слабо взаимодействуют с атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Именно эти «горячие» носители и ответственны за фототок в графене. Иными словами, поглощение фотонов не изменяет температуру кристаллической решетки, но влияет на подвижность электронов и порождает болометрический ток в противоположном направлении. Таким образом, фотовольтаический и болометрический эффекты существуют параллельно.
Ученые также выяснили, что при низкой плотности заряда фотовольтаический эффект доминирует, в то время как при высокой плотности электронов преобладает болометрический эффект. Более того, они научились «переключать» графеновый транзистор между этими механизмами, варьируя напряжение на затворе. К слову, свои результаты научная группа получала путем освещения графеновых транзисторов лазерным ИК-излучением с последующим измерением фототока. Причем, измерения проводились на однородном графене, а не на p-n переходах (как это было ранее).
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Photonics.
Также по теме:
- Графен излучает в инфракрасном диапазоне
- Композит из графена и углеродных нанотрубок позволяет запасать энергию
- Нанорезонатор поможет графену активнее поглощать свет
- Наномембраны из кремния могут обеспечить восстановление утраченной чувствительности пальцев и множество интересных дополнительных функций
- «Покрывало» из графена охлаждает транзисторы
Источники: