Tillsammans med internationella kollegor, forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har lagt till en annan viktig komponent för att förstå materialet grafen; ett material som för närvarande får stor uppmärksamhet:De har bestämt elektronernas livstid i grafen i lägre energiområden. Detta är av stor relevans för den framtida utvecklingen av snabba elektroniska och optoelektroniska komponenter. Resultaten publicerades nyligen i tidningen online Fysiska granskningsbrev .

Efter upptäckten av grafen hade tilldelats Nobelpriset i fysik förra året, många forskargrupper runt om i världen har försökt att bättre förstå materialets grundläggande egenskaper för att tillåta så lovande elektroniska och optoelektroniska applikationer som transistorer och snabba detektorer för optisk dataöverföring. Grafen - ett enda kolskikt som har sina atomer arrangerade i en sexkant som en bikaka - är också mycket intressant som ett transparent elektrodmaterial för platta skärmar och solceller. Enligt HZDR -forskaren Dr Stephan Winnerl, grafen kan ersätta det knappa högteknologiska metallindiumet inom detta område.

Med bidrag från den tyska forskningsstiftelsens prioriterade program "Graphene" och medel från Europeiska unionen, Stephan Winnerl och hans kollegor vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) tillsammans med forskare från Technische Universität (TU) Berlin, Grenoble High Magnetic Field Laboratory, och Georgia Institute of Technology, USA, lyckades bestämma elektronernas "livstid" i grafen i lägre energiområden som inte hade undersökts tidigare.

Det karakteristiska beteendet hos elektroner i specifika energiområden som vanligtvis finns i fasta ämnen är en av de många fysiska egenskaper där grafen skiljer sig väsentligt från de flesta andra material:Normalt elektroner kan bara anta specifika energinivåer (dessa kallas energiband), men inte andra (dessa kallas energigap). Denna princip används, till exempel, för sådana optoelektroniska komponenter som ljusemitterande dioder som avger ljus vid mycket specifika våglängder:Detta frigör energi som elektronerna frigör medan de "hoppar över" energiklyftor.

Men grafens beteende skiljer sig från andra halvledare:Energibanden berör varandra utan att det uppstår några luckor. Istället för att avge ljus, grafen kan absorbera strålningen från lägre energier under det synliga spektrumet, såsom terahertz och infrarött ljus; Således, vilket gör det till ett utmärkt material för detektorer.

För att kunna utveckla snabba elektroniska och optoelektroniska komponenter baserade på grafen, man måste veta exakt hur länge elektroner dröjer kvar vid specifika energinivåer. Undersökningen av sådana processer, som förekommer inom området för picosekunder, dvs tidsskalan på en miljonedel av en miljon sekund, kräver extremt snabba observationsmetoder. Det unika med de experiment som utförts vid Helmholtz-Zentrum i Dresden är exponeringen av grafenproverna för ljus som hade längre våglängder än någonsin tidigare. Detta möjliggjordes genom de korta strålningspulserna från HZDR:s Free Electron Laser (FEL). Forskarna var, Således, kunna studera elektronernas livstid nära kontaktpunkten för energibanden som är den unika fysiska egenskapen som är karakteristisk för grafen.

FEL upphetsade grafenproverna med ljus som hade olika våglängder i det infraröda området. Forskarna upptäckte att energin hos de ljuspartiklar som spänner elektronerna liksom oscillationerna i atomgitterna påverkar elektronernas livstid:Om ljuspartiklarnas energi är större än energin i gitteroscillationerna, då kommer elektronerna att förändra sitt energitillstånd snabbare och ha en kortare livslängd. Omvänt, elektronerna kommer att dröja längre vid en specifik energinivå om excitationsenergin är lägre än energin i gitteroscillationerna.

Insikterna från experimenten styrks av modellberäkningar från TU Berlin. Dessa beräkningar möjliggör en tydlig tilldelning av experimentella data till de fysiska mekanismerna i grafen. Forskarna har, Således, gjort ett värdefullt bidrag till en bättre förståelse av grafens elektroniska och optiska egenskaper.