211service.com
Licht detecteren met grafeen
Onderzoekers hebben de afgelopen jaren de buitengewone elektronische eigenschappen van grafeen onderzocht voor tal van toepassingen, van supersnelle transistors tot extreem compacte geheugenchips. Nu maken IBM-onderzoekers voor het eerst gebruik van de unieke eigenschappen van grafeen voor opto-elektronica, door grafeenplaten te gebruiken om fotodetectoren te maken.
Lichtdetector: Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld en een optisch beeld (inzet) tonen een grafeenfotodetector met hoge bandbreedte. Metalen contacten die op het grafeen worden afgezet, creëren een elektrisch veld dat elektronen scheidt, waardoor het apparaat licht kan detecteren.
Lichtdetectoren worden meestal gemaakt met behulp van III-V-halfgeleiders - materialen gemaakt van meerdere elementen zoals gallium en fosfor. Wanneer licht deze materialen raakt, creëert elk geabsorbeerd foton een elektron-gatpaar, en de elektronen worden vervolgens uit het materiaal gependeld om een elektrische stroom te produceren.
Grafeen - een vel koolstofatomen verbonden in een honingraatstructuur - transporteert elektronen tientallen keren sneller dan III-V-halfgeleiders. Dat betekent dat grafeenfotodetectoren op extreem hoge frequenties kunnen werken, waardoor ze zeer efficiënt zijn in het detecteren van licht en het transporteren van de resulterende elektronen naar een extern circuit. Het materiaal absorbeert ook golflengten variërend van zichtbaar tot infrarood, terwijl dunne lagen III-V-halfgeleiders niet veel infraroodfrequenties absorberen.
Grafeen is al gebruikt om verschillende soorten transistors te maken, waaronder ultrahoge radiofrequentie-apparaten. De sterk geleidende atoomdikke platen zouden ook het dure en brosse indiumtinoxide kunnen vervangen als het elektrodemateriaal in flexibele platte beeldschermen en dunne zonnecellen. Mensen overwegen ook grafeen voor ultracapacitor-elektroden en voor compact en supersnel computergeheugen.
Maar ondanks al deze elektronische toepassingen vonden veel experts grafeen niet ideaal voor optische apparaten. Dit komt omdat de elektronen en gaten die door inkomende fotonen worden gegenereerd, normaal gesproken binnen tientallen picoseconden in grafeen worden gecombineerd, waardoor er geen vrije elektronen overblijven voor stroom. Dit gebeurt ook in een metaal. Maar de snelheid waarmee de geladen deeltjes in grafeen reizen, is de sleutel, zegt Phaedon Avoris , manager voor wetenschap en technologie op nanometerschaal bij IBM's T.J. Watson Research Center en de onderzoeker die het werk leidde, dat wordt beschreven in een paper dat online is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie . Als we een soort elektrisch veld kunnen hebben om de elektron-gatparen te scheiden, kunnen we ze snel genoeg verzamelen [voor stroom].
Het is al bekend dat wanneer metalen contacten worden afgezet op grafeen, elektrische velden worden gegenereerd op het grensvlak tussen de twee materialen. Dus de onderzoekers maakten gebruik van dit veld. Hun apparaat is een stuk meerlagig grafeen met metalen contacten erop. Wanneer ze licht in de buurt van het contact schijnen, scheidt het veld de elektronen en gaten en wordt een stroom gegenereerd.
Lichtdetector : Een grafeen-fotodetector maakt gebruik van het elektrische veld dat wordt gecreëerd op het grensvlak tussen metalen contacten (goud) en grafeen. Wanneer licht op grafeen valt, helpt het veld elektronen van gaten te scheiden, wat leidt tot een elektrische stroom.
Een enkele laag grafeen absorbeert 2,3 procent van het licht dat erop valt, een aanzienlijke hoeveelheid voor een materiaal van één atoom dik. Je hebt een fotodetector die een aantal voordelen heeft: hij absorbeert over een breed golflengtebereik, hij is erg snel, hij heeft een hoge absorptie, het is een enkele atoomlaag, zegt Avouris. Deze combinatie maakt het vrij uniek.
Ultrasnelle fotodetectoren zouden kunnen worden gebruikt in toekomstige optische communicatienetwerken met datasnelheden van meer dan 40 gigabit per seconde; Op dit moment hebben optische netwerken datasnelheden van ongeveer 10 gigabit per seconde. De fotodetectoren kunnen ook worden gebruikt in optische computers die met elektronen rekenen, maar gegevens overbrengen met behulp van licht in plaats van deze over warmtegevoelige koperdraden te sturen. Fengnian Xia, een co-auteur van het artikel, zegt dat grafeen ook een betere detector zou zijn voor terahertz-straling, wat veelbelovend is gebleken voor medische en veiligheidsbeeldvorming.
Grafeen is een geweldig materiaal voor elektronica, zegt André Geim , een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Manchester, VK. Zeer weinig mensen zouden kunnen denken dat opto-elektronica van enig belang is bij dit materiaal. Dit is als frisse lucht.
De onderzoekers krijgen stroom als reactie op lichtpulsen met een frequentie van 40 gigahertz. Hogere frequenties zijn niet mogelijk met de hedendaagse elektronica, zegt Avouris, maar grafeen zou in theorie fotodetectoren mogelijk kunnen maken die werken bij frequenties zelfs hoger dan 0,5 terahertz.