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Licht mit Graphen erkennen
Forscher haben die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen in den letzten Jahren für zahlreiche Anwendungen erforscht, von superschnellen Transistoren bis hin zu extrem dichten Speicherchips. Jetzt nutzen IBM-Forscher zum ersten Mal die einzigartigen Eigenschaften von Graphen für die Optoelektronik, indem sie Graphenplatten zur Herstellung von Photodetektoren verwenden.
Lichtdetektor: Ein Rasterelektronenmikroskopbild und ein optisches Bild (Einschub) zeigen einen Graphen-Photodetektor mit hoher Bandbreite. Auf dem Graphen abgeschiedene Metallkontakte erzeugen ein elektrisches Feld, das Elektronen trennt, sodass das Gerät Licht erkennen kann.
Lichtdetektoren werden typischerweise aus III-V-Halbleitern hergestellt – Materialien, die aus mehreren Elementen wie Gallium und Phosphor bestehen. Wenn Licht auf diese Materialien trifft, erzeugt jedes absorbierte Photon ein Elektron-Loch-Paar, und die Elektronen werden dann aus dem Material herausgeschleudert, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.
Graphen – eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind – transportiert Elektronen zehnmal schneller als III-V-Halbleiter. Das bedeutet, dass Graphen-Photodetektoren bei extrem hohen Frequenzen arbeiten könnten, was sie sehr effizient bei der Detektion von Licht und dem Transport der resultierenden Elektronen zu einem externen Stromkreis macht. Das Material absorbiert auch Wellenlängen im Bereich von sichtbarem bis Infrarot, während dünne Schichten von III-V-Halbleitern nicht viele Infrarotfrequenzen absorbieren.
Graphen wurde bereits verwendet, um verschiedene Arten von Transistoren herzustellen, einschließlich ultrahochfrequenter Geräte. Die hochleitfähigen atomdicken Platten könnten auch das teure und spröde Indium-Zinn-Oxid als Elektrodenmaterial in flexiblen Flachbildschirmen und dünnen Solarzellen ersetzen. Die Leute ziehen auch Graphen für Ultrakondensatorelektroden und für dichten und superschnellen Computerspeicher in Betracht.
Doch trotz all dieser elektronischen Anwendungen hielten viele Experten Graphen für nicht ideal für optische Geräte. Dies liegt daran, dass sich die durch einfallende Photonen erzeugten Elektronen und Löcher normalerweise innerhalb von Dutzenden von Pikosekunden in Graphen verbinden, sodass keine freien Elektronen für den Strom übrig bleiben. Dies geschieht auch in einem Metall. Aber die Geschwindigkeit, mit der sich die geladenen Teilchen in Graphen fortbewegen, ist entscheidend, sagt Phaedon Avouris , Manager für Wissenschaft und Technologie im Nanometerbereich am T. J. Watson Research Center von IBM und der Forscher, der die Arbeit leitete, die in einem online veröffentlichten Artikel beschrieben wird in Natur Nanotechnologie . Wenn wir eine Art elektrisches Feld haben können, um die Elektron-Loch-Paare zu trennen, können wir sie schnell genug [für Strom] sammeln.
Es ist bereits bekannt, dass beim Abscheiden von Metallkontakten auf Graphen elektrische Felder an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien erzeugt werden. Also machten sich die Forscher dieses Feld zunutze. Ihr Gerät ist ein Stück mehrschichtigen Graphens mit Metallkontakten auf der Oberseite. Wenn sie in der Nähe des Kontakts Licht strahlen, trennt das Feld die Elektronen und Löcher, und es wird ein Strom erzeugt.
Lichtdetektor : Ein Graphen-Photodetektor nutzt das elektrische Feld, das an der Grenzfläche zwischen Metallkontakten (Gold) und Graphen erzeugt wird. Wenn Licht auf Graphen fällt, hilft das Feld dabei, Elektronen von Löchern zu trennen, was zu einem elektrischen Strom führt.
Eine einzelne Graphenschicht absorbiert 2,3 Prozent des darauf einfallenden Lichts, eine beachtliche Menge für ein ein Atom dickes Material. Sie haben einen Photodetektor, der eine Reihe von Vorteilen hat: Er absorbiert über einen weiten Wellenlängenbereich, er ist sehr schnell, er hat eine hohe Absorption, er besteht aus einer einzigen Atomschicht, sagt Avouris. Diese Kombination macht es ziemlich einzigartig.
Ultraschnelle Fotodetektoren könnten in zukünftigen optischen Kommunikationsnetzen mit Datenraten über 40 Gigabit pro Sekunde Verwendung finden; optische Netze haben derzeit Datenraten von etwa 10 Gigabit pro Sekunde. Die Fotodetektoren könnten auch in optischen Computern verwendet werden, die mit Elektronen rechnen, die Daten jedoch mit Licht übertragen, anstatt sie über hitzeanfällige Kupferdrähte zu senden. Fengnian Xia, ein Mitautor des Papiers, sagt, dass Graphen auch ein besserer Detektor für Terahertz-Strahlung sein würde, was sich für die medizinische und sicherheitstechnische Bildgebung vielversprechend erwiesen hat.
Graphen ist ein großartiges Material für die Elektronik, sagt André Geim , einem Physikprofessor an der University of Manchester, Großbritannien. Nur sehr wenige Menschen könnten daran denken, dass die Optoelektronik bei diesem Material von Interesse wäre. Das ist wie frische Luft.
Die Forscher erhalten Strom als Reaktion auf Lichtpulse mit einer Frequenz von 40 Gigahertz. Höhere Frequenzen seien mit der heutigen Elektronik nicht möglich, sagt Avouris, aber Graphen könnte theoretisch Photodetektoren ermöglichen, die bei Frequenzen sogar über 0,5 Terahertz arbeiten.