Новости перспективных технологий

Изучен нестандартный фотоэлектрический отклик графена

Изображение с сайта science.compulenta.ru

Физики из Массачусетского технологического института и японского Национального института материаловедения экспериментально доказали, что фотоэлектрический отклик графена определяется «горячими» носителями заряда.

Графен считается перспективным материалом оптоэлектроники, однако характерный для него физический механизм создания фототока был изучен довольно плохо. Результаты первых опытов, проведённых в 2008-м и 2009-м, свидетельствовали о том, что фототок в области контакта графена с металлом генерируется за счёт традиционного фотовольтаического эффекта (фотовозбуждённые носители заряда здесь разделяются внутренним электростатическим полем). В более поздних исследованиях, авторов которых интересовал контакт одно- и двуслойного графена, причиной появления фототока называли фототермоэлектрический (ФТЭ) эффект.

Тот факт, что ФТЭ-эффект должен играть значительную роль в графене, легко обосновать теоретически. «Горячие» электроны (подвижные носители заряда, энергетическое распределение которых смещено в сторону бóльших энергий относительно равновесного при данной температуре), появляющиеся в результате облучения, передают энергию решётке, но в графене, как показывают расчёты, этот процесс может сдерживаться. Углеродная решётка долгое время остаётся «холодной», а популяция фотовозбуждённых носителей — «горячей», участвующей в создании фототока.

Микрофотография (масштабная полоска — 5 мкм) и схема графенового устройства. MLG — однослойный графен. (Иллюстрация из журнала Science.)

Чтобы оценить вклад ФТЭ-эффекта на практике, авторы изготовили графеновые устройства с общим нижним и локальным верхним затворами. В выбранной схеме при подаче напряжений разной полярности на нижний (на рисунке — VBG) и верхний (VТG) затворы можно сформировать p-n переход в области контакта p- и n-областей в одном образце графена.

На устройство также направлялось 850-нанометровое лазерное излучение с фокальным пятном диаметром ~1 мкм. В области p-n перехода физики наблюдали мощный фототок, который на порядок превосходил фототок на контактах и линейно возрастал с увеличением оптической мощности. Максимальная измеренная «чувствительность» фототока оказалась равна 5 мА/Вт.

Эти и некоторые другие измерения убедили учёных в том, что «горячие» электроны дают основной вклад в фотоотклик графена при температуре, изменяющейся от 10 К до комнатной. Такое свойство материала, возможно, пригодится при разработке новых типов фотодетекторов и устройств, собирающих энергию излучения с повышенной эффективностью.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Science; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Информация с сайта science.compulenta.ru со ссылкой на материалы Массачусетского технологического института.

Автор оригинального текста: Дмитрий Сафин.