石墨烯设备使超快的光能转换成为可能

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科学家声称使用石墨烯层创建了一个光电探测器,可以在不到50万亿分之一秒的时间内将光转换为能量(图片来源:ICFO / Achim Woessner)
科学家声称使用石墨烯层创建了一个光电探测器,可以在不到50万亿分之一秒的时间内将光转换为能量

将光转换为电是现代电子技术的基础之一,该过程对于从太阳能电池和电视遥控接收器到激光通信和天文望远镜的所有操作都是必不可少的。这些设备依靠这项技术的迅速而有效的运行,尤其是在科学设备中,来确保尽可能高的转换率。以此为依据,巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)的研究人员证明了基于石墨烯的光电探测器,他们声称在不到50万亿分之一秒的时间内就能将光转换成电能.

石墨烯已经被确认为是一种优良的物质,即使在光谱的红外部分能将光子转化为电流但是,在ICFO研究之前,尚不清楚石墨烯在经受超快的光能爆发时会反应快。

为了测试转换速度,ICPO小组与麻省理工学院和加州大学河滨分校的科学家合作,采用了由石墨烯薄膜层组成的装置,该薄膜层被设置为pn(正负)结半导体,低于50飞秒的钛蓝宝石脉冲状激光提供超快的闪光,以及超灵敏的脉冲检测器,可捕获转换为电能的速度。

当启动并测试了这种布置时,科学家意识到光电压产生时间的发生率高于50飞秒(或50万亿分之一秒)。

研究人员认为,这种快速的转换速度归因于石墨烯的结构,该结构允许石墨烯中包含的所有导带载流子之间异常快速有效地相互作用。换句话说,激光脉冲对石墨烯分子的激发导致材料中的电子加热并保持高温,而结构下方的碳晶格则保持凉爽。并且,由于激光激发的石墨烯中的电子由于不容易与石墨烯晶格重新耦合而不能迅速冷却,因此它们保持该状态并更快地传输能量。

这样,在不断升高的电子温度下,石墨烯区域的恒定激光脉冲激发迅速导致材料内的超快电子分布。然后,这种快速转换为电子热的过程将在两个石墨烯区域的pn结处转换为电压。

明显地,这种“ 热载流子 ”的产生与标准半导体器件的操作有很大不同。这是因为它们的操作取决于克服材料中固有的结合电子能,以使入射的光子驱散电子并产生电流。在ICFO器件中,当电子受到入射光子产生电流时,在该带隙能级之上持续激发电子会导致电子运动更快,更容易。

尽管这种设备的研究还处于初期阶段,但这项研究的实际成果可能在于最终生产出新型的超快且极其有效的光电探测器和能量收集设备。并且,由于热载流石墨烯器件的基本工作原理与传统的硅或锗半导体有很大不同,因此可能会开发出利用这种现象的全新电子组件流。

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