Ljusdetektering och kontroll är kärnan i många moderna apparapplikationer, som smarttelefonkameror. Att använda grafen som ett ljuskänsligt material för ljusdetektorer kan erbjuda betydande förbättringar när det gäller material som används idag. Till exempel, grafen kan upptäcka ljus i nästan vilken färg som helst, och det ger ett extremt snabbt elektroniskt svar inom en miljonedel av en miljonedel av en sekund. Således, för att korrekt utforma grafenbaserade ljusdetektorer är det avgörande att förstå processerna som äger rum inuti grafen efter att det absorberat ljus.

De Mainz-baserade forskarna Dr Hai Wang, Professor Dmitry Turchinovich, Professor Mathias Kläui, och professor Mischa Bonn, i samarbete med forskare från olika europeiska laboratorier, har nu lyckats förstå dessa processer. Projektet leddes av Dr. Klaas-Jan Tielrooij från ICFO i Spanien, som nyligen valdes till gästprofessor vid materialvetenskap i Mainz (MAINZ) Graduate School of Excellence.

Publicerad nyligen i Vetenskapliga framsteg , deras arbete ger en grundlig förklaring till varför grafenkonduktiviteten i vissa fall ökar efter ljusabsorption medan den minskar i andra. Forskarna kunde visa att detta beteende korrelerar med det sätt på vilket energin från det absorberade ljuset strömmar till grafenelektronerna:Efter att ljuset har absorberats av grafen, processerna genom vilka grafenelektroner värms upp sker extremt snabbt och med en mycket hög effektivitet.

För högt dopad grafen med många fria elektroner närvarande, ultrasnabb elektronuppvärmning leder till bärare med förhöjd energi, så kallade heta bärare. Detta, i tur och ordning, leder till minskad konduktivitet. Intressant nog, för svagt dopad grafen med mindre fria elektroner, elektronuppvärmning leder till skapandet av ytterligare fria elektroner och, Således, en ökning av konduktiviteten. Dessa ytterligare bärare är det direkta resultatet av grafens gaplösa natur. I gapade material, elektronvärme leder inte till ytterligare fria bärare.

Detta enkla scenario med ljusinducerad elektronuppvärmning i grafen kan förklara många observerade effekter. Bortsett från att beskriva materialets ledande egenskaper efter ljusabsorption, det kan förklara bärarmultiplikation, där en absorberad ljuspartikel under specifika förhållanden, d.v.s. en foton, indirekt kan generera mer än en extra ledig elektron och därmed skapa ett effektivt fotosvar inom en enhet.

Resultatet av uppsatsen och, särskilt, förstå elektronuppvärmningsprocesser exakt, kommer definitivt att innebära ett stort uppsving i design och utveckling av grafenbaserad ljusdetekteringsteknik.