石墨烯光轉(zhuǎn)換機(jī)制的理解方面取得了突破性進(jìn)展

來自巴塞羅那光子科學(xué)研究所（ICFO）的一個(gè)研究小組表示使用石墨烯作為光檢測器中的光敏材料可以對現(xiàn)有常用材料進(jìn)行重大改進(jìn)，并在石墨烯光轉(zhuǎn)換機(jī)制的理解方面取得了突破性進(jìn)展，該研究成果已經(jīng)在Science Advances雜志上發(fā)表。

圖為實(shí)驗(yàn)技術(shù)和帶間加熱轉(zhuǎn)換原理示意圖

例如，石墨烯可以檢測幾乎任何波長的光，并且通常在1×10-12秒內(nèi)產(chǎn)生極快的電子響應(yīng)。因此，ICFO在其最新公告中評論道;“為了正確設(shè)計(jì)基于石墨烯的光探測器，理解石墨烯吸收光后發(fā)生的過程是至關(guān)重要的?！?/p>

ICFO研究員Frank Koppens教授和Klaas-Jan Tielrooij教授與歐洲其他研究中心的科學(xué)家合作，表示他們現(xiàn)在已經(jīng)成功理解了這些過程。

電導(dǎo)率上升和下降

在Science Advances上發(fā)表的論文中，研究團(tuán)隊(duì)就石墨烯吸收光之后在某些情況下電導(dǎo)率上升而在其他情況下電導(dǎo)率下降這種現(xiàn)象給出了一個(gè)完整的解釋。研究人員指出：“對于許多設(shè)想的石墨烯光電子應(yīng)用而言，了解光激發(fā)后立即進(jìn)行的亞皮秒載流子動(dòng)力學(xué)以及光激發(fā)對導(dǎo)電性的影響（光電導(dǎo)性）至關(guān)重要?！?/p>

研究人員表明，這種行為與從吸收的光能量流向石墨烯電子的方式相關(guān)：在石墨烯吸收光之后，石墨烯電子加熱的過程發(fā)生得非?？觳⑶揖哂蟹浅８叩男省τ诟邠诫s石墨烯（其中存在許多自由電子），超快電子加熱導(dǎo)致產(chǎn)生具有升高能量的載流子，即熱載流子，這反過來導(dǎo)致導(dǎo)電率降低。

有趣的是，對于弱摻雜石墨烯（其中不存在太多自由電子），電子加熱導(dǎo)致額外自由電子的產(chǎn)生，并因此導(dǎo)致電導(dǎo)率的增加。這些額外的載體是石墨烯無間隙性質(zhì)的直接結(jié)果，在間隙材料中，電子加熱不會(huì)導(dǎo)致額外的自由載體產(chǎn)生。

石墨烯中光致電子加熱這種簡單情況可以解釋觀察到的許多效應(yīng)。除了描述材料在光吸收之后的導(dǎo)電特性之外，它還可以解釋載流子倍增的情況，其中，在特定條件下，一個(gè)吸收光粒子（光子）可以間接產(chǎn)生多于一個(gè)額外的自由電子。

研究資助

該研究對電子加熱過程的準(zhǔn)確理解，無疑意味著將對石墨烯基光探測技術(shù)的設(shè)計(jì)和開發(fā)將大有助益。研究工作由歐洲委員會(huì)（EC）的石墨烯旗艦項(xiàng)目和Mineco青年研究者基金會(huì)資助。

技術(shù)觀察

Science Advances雜志上的論文摘要詳細(xì)介紹了研究人員的方法，并總結(jié)了他們的發(fā)現(xiàn)：“我們區(qū)分了兩種類型的超快光致載流子加熱過程：在低（平衡）費(fèi)米能（EF?0.1eV）實(shí)驗(yàn)條件下，載波分布的擴(kuò)大涉及帶間轉(zhuǎn)換。在較高費(fèi)米能（EF≈0.15 eV）實(shí)驗(yàn)條件下，載流子分布的拓寬涉及到帶內(nèi)躍遷。在某些條件下，低費(fèi)米能條件下可以生額外的電子空穴對，高費(fèi)米能條件下產(chǎn)生熱載流子。

未來發(fā)展

那么這個(gè)高度學(xué)術(shù)性的研究如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和市場的發(fā)展呢？Scientific Advances文章的結(jié)論是：“我們工作的研究成果將導(dǎo)致基于石墨烯的光電探測器器件優(yōu)化的直接投入?！?/p>