Sciencemag.cz
Doporučujeme
Čistý grafen může měnit světlo na elektrický proud velmi dobře, aniž by bylo potřeba dopování a p-n přechod.
Američtí vědci zjistili, že dokonale čistý grafen dokáže produkovat silný fotoelektrický proud, pokud má vzorek speciální tvar. Jde o pozoruhodné zjištění, proud se totiž objevuje v neutrálním grafenu, kde by se vyskytovat vůbec neměl. Nový objev může nalézt uplatnění v řadě aplikací.
O grafenu se mluví jako o zázračném materiálu. Je to vrstva uhlíku pouze jeden atom silná s mimořádnými vlastnostmi, jako je například obrovská pohyblivost elektronů (elektrony se v grafenu šíří prakticky rychlostí světla) nebo vysoká tepelná vodivost. Grafen může v podstatě absorbovat záření všech frekvencí elektromagnetického spektra, což je ideální vlastnost pro použití ve fotodetektorech, biologických čidlech, biologických zobrazovacích aplikacích, ale také třeba v zařízeních pro noční vidění.
Již v roce 2011 fyzici objevili, že grafen, který je ozářen světlem, produkuje horké elektrony (vysokoenergetické elektrony), které generují fotoproud. Tento režim horkých nosičů je velmi neobvyklý a standardně jej lze pozorovat jen při extrémně nízkých teplotách nebo v silně nelineárních procesech. V grafenu se však vyskytuje při všech teplotách – od těch velmi nízkých až po pokojovou teplotu – a v lineárním režimu, pokud je materiál excitován laserem.
Grafen může také produkovat fotoproud, když je podroben působení elektrického pole. Navzdory tomu, že procesy zodpovědné za produkování fotoproudu (termoelektrický a fotovoltaický) jsou rozdílné, podobají se v tom, že jsou velmi výrazné při vysoké hustotě náboje a jsou potlačovány směrem ke stavu nábojové neutrality. To je stav, v němž se setkávají valenční a vodivostní pás (nazývá se též Dirakův bod). V čistém grafenu, tedy grafenu bez nábojů, který pochází z dopování nebo ze strukturních defektů, teď objevili fyzici něco, co je s takovým chováním v naprostém kontrastu.
Tým pozoroval fotoelektrický proud v Dirakově bodu ve vzorcích, které měly nezvyklý tvar. Zjednodušeně řečeno byly tvořeny řadou obdélníků na výšku, spojených uprostřed tenkým páskem. Když byly vzorky osvětleny, vznikal největší fotoproud v sevřených oblastech, kde se úzký pásek stýká se širšími plochami. K osvětlení vědci použili kontinuální laser.
Přeměna světla na elektrický proud v grafenu až doteď závisela na fototermoelektrickém jevu. Aby byl tento efekt účinný, bylo třeba mezi grafenem s elektronovou a s děrovou vodivostí vytvořit přechod, vlastně p-n přechod. Stejně jako je tomu u většiny solárních zdrojů nebo detektorů. Elektrický proud je v takovém případě generován v oblasti přechodu a šíří se mezi opačně dopovanými oblastmi.
Jenže u grafenu je to jinak. Jakmile je materiál dopován nosiči náboje, Fermiho hladina se posunuje mimo Dirakův bod do vodivostního nebo valenčního pásu. A to blokuje schopnost materiálu absorbovat nízkofrekvenční fotony.
Američtí fyzici ve své nové práci ukazují, že zcela čistý grafen může měnit světlo na elektrický proud velmi dobře, aniž by bylo potřeba dopování a p-n přechod. To znamená, že čistý grafen může absorbovat světlo i při jakkoli nízkých frekvencích.
Když se posvítí laserem na dokonale neutrální vzorek, elektrony jsou odtlačovány ze světelného paprsku a vytvářejí lokální proud. Když se ale laser zaměří na roh nebo zúžení vzorku, elektrony jsou nuceny pohybovat se pouze po jediné možné dlouhé dráze. Proto nakonec produkují silný fotoproud.
Jev je založen na tom, že elektrony v absolutně čistém grafenu navzájem velmi silně interagují. Je to proto, že jsou uvězněny ve velmi tenké, pouze jeden atom silné membráně. Proto se dá očekávat, že se budou chovat jako tekutina, která při pohybu kolektivně transportuje svoji energii.
Na tomto základě bude podle vědců možné navrhovat a ovládat zařízení přeměňující světlo na elektrický proud, a to pouhým využitím tvaru a velikosti vzorků grafenu. A co víc, jelikož vzorky jsou pouhý jeden atom silné, bude je možné využít k výrobě zařízení, která jsou polopropustná a tvarovaná tak, že generují velké množství horkých elektronů. Ty mohou být zabudovány například na okenní skla. Další z možností je kombinovat grafen s jinými konvenčními fotocitlivými materiály a využívat tímto způsobem přebytečnou energii slunečního záření, která se obvykle neabsorbuje.
Fyzici teď plánují otestovat fotoelektrický jev grafenu v širokém intervalu frekvencí od infračervených až po terahertzové a měřit rychlost odezvy v závislosti na frekvenci světla. Popsané výsledky byly získány na vzorcích vytvořených mechanickým odlupováním uhlíkových vrstev. Teď je na řadě použití materiálu vypěstovaného chemickou depozicí z plynné fáze (CVD).
Původní materiál je uveřejněn v Nature Nanotechnology.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
Pozvánka
Filosofické problémy fyziky
Volný cyklus přednášek věnovaný klíčovým konceptům, jež představují milníky vývoje fyziky a tvoří její soudobý základ. Přednášky rozvíjejí dlouholetou tradici semináře Filosofické problémy fyziky na MFF UK. Přednášky jsou přístupné veřejnosti.
Podrobnosti
