來自巴塞羅那光子科學研究所（ICFO）的一個研究小組表示使用石墨烯作為光檢測器中的光敏材料可以對現有常用材料進行重大改進，并在石墨烯光轉換機制的理解方面取得了突破性進展，該研究成果已經在Science Advances雜志上發表。

圖為實驗技術和帶間加熱轉換原理示意圖

例如，石墨烯可以檢測幾乎任何波長的光，并且通常在1×10-12秒內產生極快的電子響應。因此，ICFO在其最新公告中評論道;“為了正確設計基于石墨烯的光探測器，理解石墨烯吸收光后發生的過程是至關重要的。”

ICFO研究員Frank Koppens教授和Klaas-Jan Tielrooij教授與歐洲其他研究中心的科學家合作，表示他們現在已經成功理解了這些過程。

電導率上升和下降

在Science Advances上發表的論文中，研究團隊就石墨烯吸收光之后在某些情況下電導率上升而在其他情況下電導率下降這種現象給出了一個完整的解釋。研究人員指出：“對于許多設想的石墨烯光電子應用而言，了解光激發后立即進行的亞皮秒載流子動力學以及光激發對導電性的影響（光電導性）至關重要。”

研究人員表明，這種行為與從吸收的光能量流向石墨烯電子的方式相關：在石墨烯吸收光之后，石墨烯電子加熱的過程發生得非常快并且具有非常高的效率。對于高摻雜石墨烯（其中存在許多自由電子），超快電子加熱導致產生具有升高能量的載流子，即熱載流子，這反過來導致導電率降低。

有趣的是，對于弱摻雜石墨烯（其中不存在太多自由電子），電子加熱導致額外自由電子的產生，并因此導致電導率的增加。這些額外的載體是石墨烯無間隙性質的直接結果，在間隙材料中，電子加熱不會導致額外的自由載體產生。

石墨烯中光致電子加熱這種簡單情況可以解釋觀察到的許多效應。除了描述材料在光吸收之后的導電特性之外，它還可以解釋載流子倍增的情況，其中，在特定條件下，一個吸收光粒子（光子）可以間接產生多于一個額外的自由電子。

研究資助

該研究對電子加熱過程的準確理解，無疑意味著將對石墨烯基光探測技術的設計和開發將大有助益。研究工作由歐洲委員會（EC）的石墨烯旗艦項目和Mineco青年研究者基金會資助。

技術觀察

Science Advances雜志上的論文摘要詳細介紹了研究人員的方法，并總結了他們的發現：“我們區分了兩種類型的超快光致載流子加熱過程：在低（平衡）費米能（EF?0.1eV）實驗條件下，載波分布的擴大涉及帶間轉換。在較高費米能（EF≈0.15 eV）實驗條件下，載流子分布的拓寬涉及到帶內躍遷。在某些條件下，低費米能條件下可以生額外的電子空穴對，高費米能條件下產生熱載流子。

未來發展

那么這個高度學術性的研究如何轉化為產品和市場的發展呢？Scientific Advances文章的結論是：“我們工作的研究成果將導致基于石墨烯的光電探測器器件優化的直接投入。”