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石墨烯光激发研究更进一步,激光探测技术或将迎来急速响应时代
2018.05.16   点击79次

就像相机是手机最大的卖点一样,光检测控制器是许多现代设备应用的核心部件。随着科技发展,新时代的石墨烯材料也参与进光检测器的更新换代进程,用石墨烯做感光材料可以使光检测器检测到几乎所有的颜色,并且石墨烯独特的电子结构也使器件能在百万分之一秒内发出极快的电子响应。

为了让石墨烯材料在光检测器中充分发挥作用,了解石墨烯在吸收光后的变化过程是至关重要的。目前已有一些科学家在这个方向进行过测试,但是得到的结果纷杂不一,有数据显示光吸收后石墨烯导电率增加,但同时也有数据说导电率下降。

为了勘透这个谜题,一支由西班牙巴塞罗那的光子科学研究所(ICFO)、意大利光学技术研究所(IIT)、英国埃克塞特市的埃克塞特大学(University of Exeter)和德国美因茨市的约翰内斯·古滕贝格大学(Johannes Gutenberg University)组成的欧洲科学家团队在这个方向上不懈努力,如今已成功弄清楚光吸收后石墨烯的整个变化过程。

为什么在一些情况下石墨烯的电导率在光吸收后增加?而在其他情况下却会下降?对这一系列问题,他们在《Science Advances》上发表论文——不同费米能级下光激发石墨烯的超快动力学和电导率问题——对整个过程给出了个彻底解释。研究人员表明,这两种相反的结果与吸收的光能流向石墨烯电子的方式有关。在石墨烯吸收光之后,石墨烯电子加热的过程发生得异常快速且高效。

超快光泵的示意图:在太赫兹探头实验中,光泵引起电子加热,石墨烯的电导率变化,太赫兹脉冲对这个变化非常敏感能够快速捕捉,整个发生过程在不到百万分之一秒内完成。(图片来源:光子科学研究所的Fabien Vialla)

对于存在着许多自由电子的高度掺杂的石墨烯,超快的电子加热过程会导致能量突然升高,这些热载流子会反过来作用于材料导致导电率下降。更有意思的是,对于弱掺杂的石墨烯,内部的自由电子不太多,在电子加热过程会产生额外的自由电子,并因此导致电导率的增加。

这个加热过程电导率升高的现象是石墨烯专有,这是由它的能带没有禁带导致的。对于其他常规间隙材料,电子加热过程是不会导致额外的自由电子产生的。

石墨烯中光致电加热的这个过程弄明白后,我们还可以解释许多以前观察到的效应,比如描述材料在光吸收之后的导电特性和设备中出现的载流子倍增效应(一个光子可以间接产生不止一个的额外自由电子)等。

这次研究的发现,特别是对光致电加热过程的精确理解,毫无疑问将对石墨烯激光探测技术的设计和开发大有脾益。

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