Ett internationellt forskargrupp, ledd av en fysiker vid University of California, Riverside, har upptäckt en ny mekanism för ultraeffektiv laddning och energiflöde i grafen, öppnar möjligheter för utveckling av nya typer av lätta skördeanordningar.

Forskarna tillverkade orörd grafen - grafen utan föroreningar - i olika geometriska former, ansluta smala band och kors till vidöppna rektangulära områden. De fann att när ljus belyste trånga områden, t.ex. området där ett smalt band förbundna två breda områden, de upptäckte en stor ljusinducerad ström, eller fotoström.

Upptäckten att orörd grafen mycket effektivt kan omvandla ljus till elektricitet kan leda till utveckling av effektiva och ultrasnabba fotodetektorer - och potentiellt effektivare solpaneler.

Grafen, ett 1-atom tjockt ark med kolatomer anordnade i ett sexkantigt galler, har många önskvärda materialegenskaper, såsom hög strömförande kapacitet och värmeledningsförmåga. I princip, grafen kan absorbera ljus vid vilken frekvens som helst, vilket gör det idealiskt material för infraröd och andra typer av fotodetektering, med breda tillämpningar inom bio-sensing, bildbehandling, och nattsyn.

I de flesta solenergianvändningsanordningar, en fotoström uppstår endast i närvaro av en korsning mellan två olika material, såsom "p-n" -korsningar, gränsen mellan två typer av halvledarmaterial. Den elektriska strömmen genereras i korsningsområdet och rör sig genom de olika materialen i de två materialen.

"Men i grafen, allting förändras, "sa Nathaniel Gabor, docent i fysik vid UCR, som ledde forskningsprojektet. "Vi fann att fotoströmmar kan uppstå i orörd grafen under ett särskilt tillstånd där hela grafenarket är helt fritt från överskott av elektronisk laddning. Att generera fotoströmmen kräver inga speciella korsningar och kan istället styras, förvånande, genom att helt enkelt klippa och forma grafenarket till ovanliga konfigurationer, från stegen-liknande linjära uppsättningar av kontakter, till snävt sammandragna rektanglar, till avsmalnande och terrasserade kanter. "

Orörd grafen är helt laddningsneutral, vilket innebär att det inte finns någon överskott av elektronisk laddning i materialet. När den är ansluten till en enhet, dock, en elektronisk laddning kan införas genom att applicera en spänning på en metall i närheten. Denna spänning kan framkalla positiv laddning, negativ laddning, eller balansera perfekt negativa och positiva laddningar så att grafenarket är helt laddningsneutralt.

"Ljusskördanordningen vi tillverkade är bara tjock som en enda atom, "Gabor sa." Vi kan använda den för att konstruera enheter som är halvtransparenta. Dessa kan vara inbäddade i ovanliga miljöer, som fönster, eller de kan kombineras med andra mer konventionella lätta skördeanordningar för att skörda överskottsenergi som vanligtvis inte absorberas. Beroende på hur kanterna skärs för att forma, enheten kan ge utomordentligt olika signaler. "

Forskargruppen rapporterar denna första observation av en helt ny fysisk mekanism-en fotoström som genereras i laddningsneutral grafen utan behov av p-n-korsningar-i Naturnanoteknik i dag.

Tidigare arbete från Gabor -labbet visade en fotoström i grafenresultat från mycket upphetsade "heta" laddningsbärare. När ljuset träffar grafen, elektroner med hög energi slappnar av och bildar en population av många relativt svalare elektroner, Gabor förklarade, som sedan samlas in som aktuella. Även om grafen inte är en halvledare, denna ljusinducerade hetelektronpopulation kan användas för att generera mycket stora strömmar.

"Allt detta beteende beror på grafens unika elektroniska struktur, "sa han." I detta 'underverk', 'ljusenergi omvandlas effektivt till elektronisk energi, som sedan kan transporteras inom materialet över anmärkningsvärt långa avstånd. "

Han förklarade att för ungefär ett decennium sedan, orörd grafen förutspås uppvisa mycket ovanligt elektroniskt beteende:elektroner ska bete sig som en vätska, att låta energi överföras via det elektroniska mediet snarare än genom att flytta laddningar runt fysiskt.

"Men trots denna förutsägelse, inga ljusströmmätningar hade gjorts på orörda grafenenheter - tills nu, " han sa.

Det nya arbetet med orörd grafen visar att elektronisk energi reser stora avstånd i avsaknad av överskott av elektronisk laddning.

Forskargruppen har funnit bevis på att den nya mekanismen resulterar i en kraftigt förbättrad fotorespons i den infraröda regimen med en extremt snabb driftshastighet.

"Vi planerar att ytterligare studera denna effekt inom ett brett spektrum av infraröda och andra frekvenser, och mäta dess svarshastighet, "sa författaren Qiong Ma, en postdoktor i fysik vid Massachusetts Institute of Technology, eller MIT.