grafen, en ultratunn form av kol med exceptionella elektriska, optisk, och mekaniska egenskaper, har blivit ett fokus för forskning om en mängd olika potentiella användningsområden. Nu har forskare vid MIT hittat ett sätt att kontrollera hur materialet leder elektricitet genom att använda extremt korta ljuspulser, som skulle kunna möjliggöra dess användning som en bredbandsljusdetektor.

De nya rönen publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , i en uppsats av doktoranden Alex Frenzel, Nuh Gedik, och tre andra.

Forskarna fann att genom att kontrollera koncentrationen av elektroner i ett grafenark, de kan förändra hur materialet reagerar på en kort men intensiv ljuspuls. Om grafenarket börjar med låg elektronkoncentration, pulsen ökar materialets elektriska ledningsförmåga. Detta beteende liknar det för traditionella halvledare, som kisel och germanium.

Men om grafenet börjar med hög elektronkoncentration, pulsen minskar sin konduktivitet – på samma sätt som en metall vanligtvis beter sig. Därför, genom att modulera grafens elektronkoncentration, forskarna fann att de effektivt kunde ändra grafens fotokonduktiva egenskaper från halvledarliknande till metallliknande.

Fyndet förklarar också fotoresponsen av grafen som tidigare rapporterats av olika forskargrupper, som studerade grafenprover med olika koncentration av elektroner. "Vi kunde ställa in antalet elektroner i grafen, och få antingen svar, säger Frenzel.

För att utföra denna studie, teamet deponerade grafen ovanpå ett isolerande lager med en tunn metallfilm under; genom att applicera en spänning mellan grafen och bottenelektroden, elektronkoncentrationen av grafen kunde ställas in. Forskarna belyste sedan grafen med en stark ljuspuls och mätte förändringen av elektrisk ledning genom att bedöma överföringen av en sekund, lågfrekvent ljuspuls.

I detta fall, lasern utför dubbla funktioner. "Vi använder två olika ljuspulser:en för att modifiera materialet, och en för att mäta den elektriska ledningen, "Gedik säger, och tillägger att pulserna som används för att mäta ledningen är mycket lägre frekvens än de pulser som används för att modifiera materialets beteende. För att åstadkomma detta, forskarna utvecklade en enhet som var transparent, Frenzel förklarar, för att låta laserpulser passera genom den.

Denna helt optiska metod undviker behovet av att lägga till extra elektriska kontakter till grafenet. Gedik, Lawrence C. och Sarah W. Biedenharn docent i fysik, säger att mätmetoden som Frenzel implementerade är en "cool teknik. Normalt, för att mäta konduktivitet måste du sätta ledningar på den, " säger han. Detta tillvägagångssätt, däremot "har ingen kontakt alls."

Dessutom, de korta ljuspulserna tillåter forskarna att ändra och avslöja grafens elektriska svar på bara en biljondels sekund.

I ett överraskande fynd, teamet upptäckte att en del av konduktivitetsminskningen vid hög elektronkoncentration härrör från en unik egenskap hos grafen:dess elektroner färdas med konstant hastighet, liknar fotoner, vilket gör att konduktiviteten minskar när elektrontemperaturen ökar under belysningen av laserpulsen. "Vårt experiment avslöjar att orsaken till fotokonduktivitet i grafen skiljer sig mycket från den i en vanlig metall eller halvledare, säger Frenzel.

Forskarna säger att arbetet kan hjälpa utvecklingen av nya ljusdetektorer med ultrasnabba svarstider och hög känslighet över ett brett spektrum av ljusfrekvenser, från infrarött till ultraviolett. Även om materialet är känsligt för ett brett spektrum av frekvenser, den faktiska andelen ljus som absorberas är liten. Praktisk tillämpning av en sådan detektor skulle därför kräva ökad absorptionseffektivitet, till exempel genom att använda flera lager av grafen, säger Gedik.