211service.com
Detekterar ljus med grafen
Forskare har utforskat grafens extraordinära elektroniska egenskaper för många applikationer under de senaste åren, från supersnabba transistorer till extremt täta minneschips. Nu, för första gången, utnyttjar IBM-forskare grafens unika egenskaper för optoelektronik och använder grafenark för att tillverka fotodetektorer.
Ljusdetektor: En bild av ett skanningselektron-mikroskop och en optisk bild (infälld) visar en grafenfotodetektor med hög bandbredd. Metallkontakter avsatta på grafen skapar ett elektriskt fält som separerar elektroner, vilket gör att enheten kan upptäcka ljus.
Ljusdetektorer är vanligtvis gjorda av III-V-halvledare - material gjorda av flera element som gallium och fosfor. När ljus träffar dessa material skapar varje absorberad foton ett elektron-hålpar, och elektronerna skjuts sedan ut ur materialet för att producera en elektrisk ström.
Grafen – ett ark av kolatomer länkade i en bikakestruktur – transporterar elektroner tiotals gånger snabbare än III-V-halvledare. Det betyder att grafenfotodetektorer kan arbeta vid extremt höga frekvenser, vilket gör dem mycket effektiva när det gäller att detektera ljus och transportera de resulterande elektronerna till en extern krets. Materialet absorberar också våglängder som sträcker sig från synliga till infraröda, medan tunna lager av III-V-halvledare inte absorberar många infraröda frekvenser.
Grafen har redan använts för att tillverka flera typer av transistorer, inklusive ultrahöga radiofrekvensenheter. De mycket ledande atomtjocka arken kan också ersätta dyr och spröd indiumtennoxid som elektrodmaterial i flexibla platta bildskärmar och tunna solceller. Människor överväger också grafen för ultrakondensatorelektroder och för tätt och supersnabbt datorminne.
Trots alla dessa elektroniska tillämpningar ansåg många experter grafen som mindre än idealiskt för optiska enheter. Detta beror på att elektronerna och hålen som genereras av inkommande fotoner normalt kombineras i grafen inom tiotals pikosekunder, vilket inte lämnar några fria elektroner för ström. Detta händer även i en metall. Men hastigheten med vilken de laddade partiklarna färdas i grafen är nyckeln, säger Phaedon Avouris , chef för vetenskap och teknologi i nanometerskala vid IBM:s T. J. Watson Research Center och forskaren som ledde arbetet, vilket beskrivs i en artikel publicerad online i Naturens nanoteknik . Om vi kan ha något slags elektriskt fält för att separera elektron-hålsparen, kan vi samla dem tillräckligt snabbt [för ström].
Det är redan känt att när metallkontakter avsätts på grafen, genereras elektriska fält vid gränsytan mellan de två materialen. Så forskarna drog fördel av detta område. Deras enhet är en bit grafen i flera lager med metallkontakter på toppen. När de lyser nära kontakten separerar fältet elektronerna och hålen och en ström genereras.
Ljusdetektor : En grafenfotodetektor drar fördel av det elektriska fältet som skapas i gränssnittet mellan metallkontakter (guld) och grafen. När ljus faller på grafen hjälper fältet till att separera elektroner från hål, vilket leder till en elektrisk ström.
Ett enda ark grafen absorberar 2,3 procent av ljuset som faller på det, en betydande mängd för ett enatomtjockt material. Du har en fotodetektor som har ett antal fördelar: den absorberar över ett brett våglängdsområde, den är väldigt snabb, den har hög absorbans, den är ett enda atomlager, säger Avouris. Denna kombination gör den ganska unik.
Ultrasnabba fotodetektorer skulle kunna användas i framtida optiska kommunikationsnätverk med datahastigheter över 40 gigabit per sekund; just nu har optiska nätverk datahastigheter på cirka 10 gigabit per sekund. Fotodetektorerna kan också användas i optiska datorer som beräknar med elektroner men överför data med hjälp av ljus istället för att skicka det över värmebenägna koppartrådar. Fengnian Xia, en medförfattare till tidningen, säger att grafen också skulle vara en bättre detektor för terahertzstrålning, vilket har visat sig lovande för medicinsk och säkerhetsavbildning.
Grafen är ett bra material för elektronik, säger man Andre Geim , professor i fysik vid University of Manchester, U.K. Mycket få människor kunde tänka på att optoelektronik skulle vara av något intresse med detta material. Det här är som frisk luft.
Forskarna får ström som svar på ljuspulser med en frekvens på 40 gigahertz. Frekvenser högre än så här är inte möjliga med dagens elektronik, säger Avouris, men grafen skulle i teorin möjliggöra fotodetektorer som fungerar vid frekvenser till och med högre än 0,5 terahertz.