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石墨烯光轉(zhuǎn)換機(jī)制的理解方面取得了突破性進(jìn)展

kus1_iawbs2016 ? 來(lái)源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-05-23 16:47 ? 次閱讀

來(lái)自巴塞羅那光子科學(xué)研究所(ICFO)的一個(gè)研究小組表示使用石墨烯作為光檢測(cè)器中的光敏材料可以對(duì)現(xiàn)有常用材料進(jìn)行重大改進(jìn),并在石墨烯光轉(zhuǎn)換機(jī)制的理解方面取得了突破性進(jìn)展,該研究成果已經(jīng)在Science Advances雜志上發(fā)表。

圖為實(shí)驗(yàn)技術(shù)和帶間加熱轉(zhuǎn)換原理示意圖

例如,石墨烯可以檢測(cè)幾乎任何波長(zhǎng)的光,并且通常在1×10-12秒內(nèi)產(chǎn)生極快的電子響應(yīng)。因此,ICFO在其最新公告中評(píng)論道;“為了正確設(shè)計(jì)基于石墨烯的光探測(cè)器,理解石墨烯吸收光后發(fā)生的過(guò)程是至關(guān)重要的?!?/p>

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(xué)家合作,表示他們現(xiàn)在已經(jīng)成功理解了這些過(guò)程。

電導(dǎo)率上升和下降

在Science Advances上發(fā)表的論文中,研究團(tuán)隊(duì)就石墨烯吸收光之后在某些情況下電導(dǎo)率上升而在其他情況下電導(dǎo)率下降這種現(xiàn)象給出了一個(gè)完整的解釋。研究人員指出:“對(duì)于許多設(shè)想的石墨烯光電子應(yīng)用而言,了解光激發(fā)后立即進(jìn)行的亞皮秒載流子動(dòng)力學(xué)以及光激發(fā)對(duì)導(dǎo)電性的影響(光電導(dǎo)性)至關(guān)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(guān):在石墨烯吸收光之后,石墨烯電子加熱的過(guò)程發(fā)生得非??觳⑶揖哂蟹浅8叩男?。對(duì)于高摻雜石墨烯(其中存在許多自由電子),超快電子加熱導(dǎo)致產(chǎn)生具有升高能量的載流子,即熱載流子,這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致導(dǎo)電率降低。

有趣的是,對(duì)于弱摻雜石墨烯(其中不存在太多自由電子),電子加熱導(dǎo)致額外自由電子的產(chǎn)生,并因此導(dǎo)致電導(dǎo)率的增加。這些額外的載體是石墨烯無(wú)間隙性質(zhì)的直接結(jié)果,在間隙材料中,電子加熱不會(huì)導(dǎo)致額外的自由載體產(chǎn)生。

石墨烯中光致電子加熱這種簡(jiǎn)單情況可以解釋觀察到的許多效應(yīng)。除了描述材料在光吸收之后的導(dǎo)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(gè)吸收光粒子(光子)可以間接產(chǎn)生多于一個(gè)額外的自由電子。

研究資助

該研究對(duì)電子加熱過(guò)程的準(zhǔn)確理解,無(wú)疑意味著將對(duì)石墨烯基光探測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)將大有助益。研究工作由歐洲委員會(huì)(EC)的石墨烯旗艦項(xiàng)目和Mineco青年研究者基金會(huì)資助。

技術(shù)觀察

Science Advances雜志上的論文摘要詳細(xì)介紹了研究人員的方法,并總結(jié)了他們的發(fā)現(xiàn):“我們區(qū)分了兩種類(lèi)型的超快光致載流子加熱過(guò)程:在低(平衡)費(fèi)米能(EF?0.1eV)實(shí)驗(yàn)條件下,載波分布的擴(kuò)大涉及帶間轉(zhuǎn)換。在較高費(fèi)米能(EF≈0.15 eV)實(shí)驗(yàn)條件下,載流子分布的拓寬涉及到帶內(nèi)躍遷。在某些條件下,低費(fèi)米能條件下可以生額外的電子空穴對(duì),高費(fèi)米能條件下產(chǎn)生熱載流子。

未來(lái)發(fā)展

那么這個(gè)高度學(xué)術(shù)性的研究如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和市場(chǎng)的發(fā)展呢?Scientific Advances文章的結(jié)論是:“我們工作的研究成果將導(dǎo)致基于石墨烯的光電探測(cè)器器件優(yōu)化的直接投入?!?/p>

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原文標(biāo)題:巴塞羅那光子科學(xué)研究所研究出石墨烯光激發(fā)內(nèi)在機(jī)理,將推動(dòng)基于石墨烯的光探測(cè)器的發(fā)展

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