Новые результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters, в статье аспиранта Алекса Френзеля, Нух Гедика и трех других.Исследователи обнаружили, что, контролируя концентрацию электронов в листе графена, они могут изменить способ реакции материала на короткий, но интенсивный световой импульс.
Если графеновый лист начинается с низкой концентрации электронов, импульс увеличивает электропроводность материала. Это поведение аналогично поведению традиционных полупроводников, таких как кремний и германий.
Но если графен начинается с высокой концентрации электронов, импульс снижает его проводимость — так же, как обычно ведет себя металл. Таким образом, модулируя концентрацию электронов графена, исследователи обнаружили, что они могут эффективно изменять фотопроводящие свойства графена с полупроводниковых на металлоподобные.Это открытие также объясняет фотоотклик графена, о котором ранее сообщалось различными исследовательскими группами, которые изучали образцы графена с разной концентрацией электронов. «Мы смогли настроить количество электронов в графене и получить любой ответ», — говорит Френзель.
Чтобы выполнить это исследование, команда нанесла графен поверх изолирующего слоя с тонкой металлической пленкой под ним; Путем приложения напряжения между графеном и нижним электродом можно было регулировать концентрацию электронов графена. Затем исследователи осветили графен сильным световым импульсом и измерили изменение электропроводности, оценив передачу второго низкочастотного светового импульса.
В этом случае лазер выполняет двойную функцию. «Мы используем два разных световых импульса: один для модификации материала, а другой для измерения электропроводности», — говорит Гедик, добавляя, что импульсы, используемые для измерения проводимости, имеют гораздо более низкую частоту, чем импульсы, используемые для изменения поведения материала. Для этого исследователи разработали прозрачное устройство, объясняет Френцель, позволяющее лазерным импульсам проходить через него.Этот полностью оптический метод позволяет избежать добавления дополнительных электрических контактов к графену. Гедик, доцент кафедры физики им.
Лоуренса К. и Сары Биденхарн, говорит, что метод измерения, реализованный Френзелем, является «крутой техникой. Обычно, чтобы измерить проводимость, вы должны надеть на него провода», — говорит он. Этот подход, напротив, «вообще не имеет контакта».Кроме того, короткие световые импульсы позволяют исследователям изменять и обнаруживать электрический отклик графена всего за триллионную долю секунды.
В результате неожиданного открытия команда обнаружила, что часть снижения проводимости при высокой концентрации электронов проистекает из уникальной характеристики графена: его электроны движутся с постоянной скоростью, подобной фотонам, что приводит к снижению проводимости при повышении температуры электронов ниже засветка лазерным импульсом. «Наш эксперимент показывает, что причина фотопроводимости в графене сильно отличается от причины в обычном металле или полупроводнике», — говорит Френцель.Исследователи говорят, что эта работа может помочь в разработке новых детекторов света со сверхбыстрым временем отклика и высокой чувствительностью в широком диапазоне световых частот, от инфракрасного до ультрафиолетового.
Хотя материал чувствителен к широкому диапазону частот, реальный процент поглощенного света невелик. Поэтому практическое применение такого детектора потребует увеличения эффективности поглощения, например, за счет использования нескольких слоев графена, говорит Гедик.
Изабелла Гирц, профессор Института структуры и динамики материи им. Макса Планка в Гамбурге, Германия, которая не принимала участия в этом исследовании, говорит: «Работа интересна, потому что она представляет собой систематическое исследование допинговой зависимости низкой плотности вещества. -энергетическая динамика, которой до сих пор не уделялось особого внимания ». Она говорит, что новое исследование «определенно помогает согласовать предыдущие явно противоречивые результаты», и добавляет, что эти результаты представляют собой «надежный эксперимент, анализ и интерпретацию».
В исследовательскую группу также входили Цзин Конг, доцент кафедры электротехники ITT Массачусетского технологического института, который предоставил образцы графена, использованные для экспериментов; постдок физики Чун Хун Луи; и Йонг Чеол Шин, аспирант в области материаловедения и инженерии. Работа получила поддержку Министерства энергетики США и Национального научного фонда.