Šviesos aptikimas naudojant grafeną

Tyrėjai per pastaruosius kelerius metus ištyrė nepaprastas grafeno elektronines savybes daugeliui pritaikymų – nuo ​​itin greitų tranzistorių iki itin tankių atminties lustų. Dabar pirmą kartą IBM mokslininkai išnaudoja unikalias grafeno savybes optoelektronikoje, naudodami grafeno lakštus fotodetektoriams gaminti.

Šviesos detektorius: Skenuojančio elektroninio mikroskopo vaizdas ir optinis vaizdas (įdėklas) rodo didelio pralaidumo grafeno fotodetektorių. Ant grafeno nusodinti metaliniai kontaktai sukuria elektrinį lauką, kuris atskiria elektronus, leidžiančius įrenginiui aptikti šviesą.

Šviesos detektoriai paprastai gaminami naudojant III-V puslaidininkius – medžiagas, pagamintas iš kelių elementų, tokių kaip galis ir fosforas. Kai šviesa patenka į šias medžiagas, kiekvienas sugertas fotonas sukuria elektronų skylių porą, o elektronai ištraukiami iš medžiagos, kad susidarytų elektros srovė.

Grafenas – anglies atomų lapas, susietas korio struktūroje – perneša elektronus dešimtis kartų greičiau nei III-V puslaidininkiai. Tai reiškia, kad grafeno fotodetektoriai gali dirbti itin aukštais dažniais, todėl jie labai efektyviai aptinka šviesą ir perneša gautus elektronus į išorinę grandinę. Medžiaga taip pat sugeria bangų ilgius nuo matomų iki infraraudonųjų spindulių, o ploni III-V puslaidininkių sluoksniai nesugeria daug infraraudonųjų dažnių.

Grafenas jau buvo naudojamas kelių rūšių tranzistorių gamybai, įskaitant itin aukšto radijo dažnio įrenginius. Labai laidūs atomo storio lakštai taip pat galėtų pakeisti brangų ir trapų indžio alavo oksidą kaip elektrodo medžiagą lanksčiuose plokščiaekraniuose ekranuose ir plonuose saulės elementuose. Žmonės taip pat svarsto galimybę naudoti grafeną kaip ultrakondensatorių elektrodus ir tankią bei itin greitą kompiuterio atmintį.

Tačiau nepaisant visų šių elektroninių pritaikymų, daugelis ekspertų manė, kad grafenas nėra idealus optiniams įrenginiams. Taip yra todėl, kad įeinančių fotonų sukurti elektronai ir skylės paprastai susijungia grafene per keliasdešimt pikosekundžių, nepalikdami laisvų elektronų srovei. Taip atsitinka ir metale. Tačiau greitis, kuriuo įkrautos dalelės keliauja grafene, yra labai svarbus, sako Phaedon Avouris , IBM T. J. Watson tyrimų centro nanometrų masto mokslo ir technologijų vadovas ir tyrėjas, vadovavęs darbui, kuris aprašytas internete paskelbtame dokumente Gamtos nanotechnologijos . Jei galime turėti tam tikrą elektrinį lauką, kad atskirtume elektronų skylių poras, galime jas surinkti pakankamai greitai [srovei].

Jau žinoma, kad ant grafeno nusėdus metaliniams kontaktams, dviejų medžiagų sąsajoje susidaro elektriniai laukai. Taigi mokslininkai pasinaudojo šia sritimi. Jų prietaisas yra daugiasluoksnio grafeno gabalas su metaliniais kontaktais viršuje. Kai jie šviečia šviesa šalia kontakto, laukas atskiria elektronus ir skyles, susidaro srovė.

Šviesos detektorius : Grafeno fotodetektorius išnaudoja elektrinį lauką, sukuriamą metalinių kontaktų (aukso) ir grafeno sąsajoje. Kai šviesa krinta ant grafeno, laukas padeda atskirti elektronus nuo skylių, todėl susidaro elektros srovė.

Vienas grafeno lapas sugeria 2,3 procento ant jo krintančios šviesos, o tai yra nemažas kiekis vieno atomo storio medžiagai. Turite fotodetektorių, kuris turi daug privalumų: jis sugeria platų bangų ilgių diapazoną, yra labai greitas, turi didelę absorbciją, yra vienas atominis sluoksnis, sako Avouris. Šis derinys daro jį gana unikaliu.

Itin greiti fotodetektoriai galėtų būti naudojami būsimuose optinių ryšių tinkluose, kurių duomenų perdavimo sparta viršija 40 gigabitų per sekundę; Šiuo metu optinių tinklų duomenų perdavimo sparta yra apie 10 gigabitų per sekundę. Fotodetektoriai taip pat gali būti naudojami optiniuose kompiuteriuose, kurie skaičiuoja su elektronais, bet perduoda duomenis naudodami šviesą, o ne siunčia juos per karščiui jautrius varinius laidus. Straipsnio bendraautorius Fengnianas Xia teigia, kad grafenas taip pat būtų geresnis terahercinės spinduliuotės detektorius, o tai parodė perspektyvų medicininį ir saugumo vaizdavimą.

Grafenas yra puiki medžiaga elektronikai, sako Andre Geimas , Mančesterio universiteto (JK) fizikos profesorius. Labai mažai žmonių galėtų pagalvoti, kad optoelektronika gali būti įdomi naudojant šią medžiagą. Tai tarsi grynas oras.

Tyrėjai gauna srovę reaguodami į šviesos impulsus, kurių dažnis yra 40 gigahercų. Avouris teigia, kad aukštesni už tai dažniai neįmanomi naudojant šiuolaikinę elektroniką, tačiau teoriškai grafenas galėtų įgalinti fotodetektorius, veikiančius net aukštesniais nei 0,5 teraherco dažniais.

paslėpti