Как графен превращает свет в электричество

Двумерная гексагональная структура графена. (кликните картинку для увеличения)

Двумерная гексагональная структура графена. (кликните картинку для увеличения)

27.01.2013 (16:04)
Просмотров: 3047
Рейтинг: 2.00
Голосов: 1

Теги:
графен, транзистор, фотоприёмник,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
При облучении светом поведение графена совсем не напоминает явления, происходящие в обычных полупроводниках. Хотя на сегодняшний день графен можно считать достаточно хорошо изученным, до сих пор ученые были не уверены в точном описании механизма, лежащего в основе его необычного отклика на поток фотонов. Однако, последние эксперименты в области фотопроводимости графеновых транзисторов, выполненные учеными из США, показали, что при взаимодействии со светом, в зависимости от концентрации носителей заряда, задействуется либо фотоэлектрический, либо болометрический эффекты. Опубликованный результат будет очень полезен для создания на основе графена нового типа сверхбыстрых и высокоэффективных фотоприемников.

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.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное





Rambler's Top100