×
Устройства с графеном позволяют свету становиться энергией

Преобразование света в электричество является одним из столпов современной электроники. Этот процесс необходим для работы всех устройств, от солнечных батарей и пульта дистанционного управления телевизором до лазерных коммуникаций и астрономических телескопов. Устройствам необходимо быстрое и эффективное применение технологии, особенно в научной аппаратуре.



Работая в этом направлении, исследователи из Института фотонных наук (Institut de Ciències Fotòniques/ICFO) в Барселоне продемонстрировали устройства на основе графена. Они утверждают, что новый фотодетектор преобразует свет в электричество менее чем за 50 квадриллионов в секунду.



Графен уже был определен в качестве лучшего вещества для преобразования фотонов в электрический ток даже в инфракрасной части спектра. Тем не менее до исследования ICFO было неясно, насколько быстро графен будет реагировать на этот процесс, когда подвергается ультрабыстрым всплескам энергии света.



Чтобы проверить скорость преобразования, команда ICFO в сотрудничестве с учеными из Массачусетского технологического института и Университета Калифорнии в Риверсайде использовала материал, состоящий из слоев пленки графена и других сложных полупроводниковых материалов. Он ловил лазерный импульс со сверхбыстрыми вспышками света, используя ультрачувствительный детектор импульсного захвата, чтобы определить скорость конверсии в электрическую энергию.



Когда этот механизм был испытан, ученые поняли, что время генерации фотонапряжения происходит со скоростью более чем 50 фемтосекунд (или 50 квадриллионов в секунду).



По данным исследователей, эта скорость конверсии обеспечивается благодаря пузырчатой структуре графена, которая делает возможным исключительно быстрое и эффективное взаимодействие между всеми носителями зоны проводимости, содержащимися в ней. Другими словами, возбуждение молекул графена лазерным импульсом заставляет электроны в материале нагреваться и оставаться горячими, в то время как углеродные решетки, лежащие в основе структуры, остаются прохладными. И так как электроны в лазерном возбуждении графена не остывают быстро, они остаются в этом состоянии и передают свою энергию гораздо быстрее.



Таким образом, постоянное возбуждение лазерным импульсом области графена приводит к сверхбыстрому распределению электронов в материале на постоянно повышенной температуре электронов. Этот быстрый переход к электронному теплу затем преобразуется в напряжение на переходе двух графеновых областей.



Примечательно, что этот «горячий носитель» сильно отличается от работы стандартных полупроводниковых приборов. Это происходит потому, что работа зависит от преодоления связывания энергии электронов, присущих материалу для входящего фотона, чтобы сместить электрон, который и создает электрический ток. В устройстве ICFO продолжение возбуждения электронов выше этого запрещенного зоной результатов уровня и гораздо быстрее, а также проще для перемещения их при воздействии входящих фотонов.



Хотя это первые результаты изучения таких устройств, практический опыт этого исследования может привести в конечном итоге к производству новых типов сверхбыстрых и чрезвычайно эффективных фотоприемников и устройств для сбора энергии.



Результаты этой работы были недавно опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.



Автор: Степан Мазур