211service.com
Wykrywanie światła za pomocą grafenu
W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy zbadali niezwykłe właściwości elektroniczne grafenu w wielu zastosowaniach, od superszybkich tranzystorów po niezwykle gęste układy pamięci. Teraz po raz pierwszy naukowcy IBM wykorzystują unikalne właściwości grafenu w optoelektronice, wykorzystując arkusze grafenowe do tworzenia fotodetektorów.
Detektor światła: Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego oraz obraz optyczny (wstawka) przedstawiają fotodetektor grafenowy o dużej przepustowości. Metalowe styki osadzone na grafenie wytwarzają pole elektryczne, które oddziela elektrony, umożliwiając urządzeniu wykrywanie światła.
Detektory światła są zwykle wykonane przy użyciu półprzewodników III-V – materiałów wykonanych z wielu pierwiastków, takich jak gal i fosfor. Kiedy światło uderza w te materiały, każdy zaabsorbowany foton tworzy parę elektron-dziura, a elektrony są następnie wyrzucane z materiału, aby wytworzyć prąd elektryczny.
Grafen – arkusz atomów węgla połączony w strukturę plastra miodu – transportuje elektrony kilkadziesiąt razy szybciej niż półprzewodniki III-V. Oznacza to, że fotodetektory grafenowe mogą pracować z ekstremalnie wysokimi częstotliwościami, dzięki czemu są bardzo wydajne w wykrywaniu światła i przenoszeniu powstałych elektronów do obwodu zewnętrznego. Materiał pochłania również fale o długości od widzialnej do podczerwieni, podczas gdy cienkie warstwy półprzewodników III-V nie pochłaniają wielu częstotliwości podczerwieni.
Grafen był już używany do wytwarzania kilku rodzajów tranzystorów, w tym urządzeń o ultrawysokiej częstotliwości radiowej. Wysoko przewodzące arkusze o grubości atomu mogą również zastąpić drogi i kruchy tlenek indu i cyny jako materiał elektrodowy w elastycznych płaskich wyświetlaczach i cienkich ogniwach słonecznych. Ludzie rozważają również zastosowanie grafenu jako elektrod ultrakondensatorowych oraz gęstej i superszybkiej pamięci komputera.
Jednak pomimo tych wszystkich zastosowań elektronicznych, wielu ekspertów uważało, że grafen nie jest idealny do urządzeń optycznych. Dzieje się tak, ponieważ elektrony i dziury generowane przez nadchodzące fotony zwykle łączą się w grafenie w ciągu kilkudziesięciu pikosekund, nie pozostawiając wolnych elektronów dla prądu. Dzieje się tak również w metalu. Ale kluczowa jest prędkość, z jaką naładowane cząstki przemieszczają się w grafenie, mówi Phaedon Avouris , kierownik ds. nauki i technologii w skali nanometrycznej w IBM T. J. Watson Research Center oraz badacz, który kierował pracami, które opisano w artykule opublikowanym online w Natura Nanotechnologia . Jeśli możemy mieć jakieś pole elektryczne do rozdzielenia par elektron-dziura, możemy je zebrać wystarczająco szybko [dla prądu].
Wiadomo już, że gdy metalowe styki osadzają się na grafenie, na styku dwóch materiałów generowane są pola elektryczne. Dlatego naukowcy skorzystali z tego pola. Ich urządzenie to kawałek wielowarstwowego grafenu z metalowymi stykami na górze. Kiedy świecą światłem w pobliżu styku, pole oddziela elektrony i dziury i generowany jest prąd.
Detektor światła : Fotodetektor grafenowy wykorzystuje pole elektryczne, które powstaje na styku styków metalowych (złoto) i grafenu. Kiedy światło pada na grafen, pole pomaga oddzielać elektrony od dziur, prowadząc do prądu elektrycznego.
Pojedynczy arkusz grafenu pochłania 2,3 procent padającego na niego światła, co jest znaczną ilością jak na materiał o grubości jednego atomu. Masz fotodetektor, który ma wiele zalet: pochłania w szerokim zakresie długości fal, jest bardzo szybki, ma wysoką absorbancję, jest to pojedyncza warstwa atomowa – mówi Avouris. To połączenie czyni go dość wyjątkowym.
Ultraszybkie fotodetektory mogą znaleźć zastosowanie w przyszłych optycznych sieciach komunikacyjnych o szybkości transmisji danych przekraczającej 40 gigabitów na sekundę; obecnie sieci optyczne mają szybkość przesyłania danych około 10 gigabitów na sekundę. Fotodetektorów można również używać w komputerach optycznych, które obliczają za pomocą elektronów, ale przesyłają dane za pomocą światła zamiast przesyłać je przez podatne na ciepło przewody miedziane. Fengnian Xia, współautor artykułu, mówi, że grafen byłby również lepszym detektorem promieniowania terahercowego, co jest obiecujące dla obrazowania medycznego i bezpieczeństwa.
Grafen to świetny materiał dla elektroniki, mówi Andre Geim , profesor fizyki na Uniwersytecie w Manchesterze w Wielkiej Brytanii. Bardzo niewiele osób mogłoby pomyśleć, że optoelektronika może być zainteresowana tym materiałem. To jest jak świeże powietrze.
Naukowcy uzyskują prąd w odpowiedzi na impulsy świetlne o częstotliwości 40 gigaherców. Częstotliwości wyższe niż ta nie są możliwe w dzisiejszej elektronice, mówi Avouris, ale grafen może teoretycznie umożliwić fotodetektorom, które działają na częstotliwościach nawet wyższych niż 0,5 teraherca.