來自巴塞羅那光子科學(xué)研究所（ICFO）的一個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)換機制的理解方面取得了突破性進(jìn)展，該研究成果已經(jīng)在ScienceAdvances雜志上發(fā)表。

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。”

ICFO研究員FrankKoppens教授和Klaas-JanTielrooij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ScienceAdvances上發(fā)表的論文中，研究團(tuán)隊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。”

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)生得非常快并且具有非常高的效率。對于高摻雜石墨烯（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，一個吸收光粒子（光子）可以間接產(chǎn)生多于一個額外的自由電子。

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)計和開發(fā)將大有助益。研究工作由歐洲委員會（EC）的石墨烯旗艦項目和Mineco青年研究者基金會資助。

技術(shù)觀察

ScienceAdvances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）費米能（EF?0.1eV）實驗條件下，載波分布的擴(kuò)大涉及帶間轉(zhuǎn)換。在較高費米能（EF≈0.15eV）實驗條件下，載流子分布的拓寬涉及到帶內(nèi)躍遷。在某些條件下，低費米能條件下可以生額外的電子空穴對，高費米能條件下產(chǎn)生熱載流子。

未來發(fā)展

那么這個高度學(xué)術(shù)性的研究如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和市場的發(fā)展呢？ScientificAdvances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。”