Созданы фотоэлектрические приборы на основе графена, способные работать на терагерцовых частотах

IT новости на Учитель программирования Ру
Исследователи из Института фотонных наук (Institute of Photonic Sciences, ICFO), Барселона, Испания, достаточно давно занимаются разработкой различных типов оптоэлектронных устройств, в том числе и на основе графена. Одним из их последних достижений является создание графенового сверхскоростного фотодатчика, который способен преобразовывать в электрический ток импульсы света длительностью менее 50 фемтосекунд. Фемтосекунда – это одна тысячная одной миллионной из одной миллионной доли секунды и это очень и очень быстро даже для современного уровня развития технологий.

Создать сверхскоростной фотодатчик исследователям позволило успешное решение одной из фундаментальных проблем, которой подвержены все без исключения графеновые фотоэлектрические устройства. Эта проблема заключается в недостаточном времени процесса своего рода “охлаждения” носителей электрического заряда в таких устройствах, что служит ограничением их максимального быстродействия.

Фотоэлектрический эффект возникает, когда свет фокусируется на границе между слоями графена, в структуры которых введены разные допирующие добавки. Свет является источником энергии, которая используется для формирования электронно-дырочных пар, которые в свою очередь, являются источником фотогальванического потенциала.

После того, как на стыке слоев графена сформировались электронно-дырочные пары, нагретые (обладающие высокой кинетической энергией) электроны распределяются равномерно по материалу, отдавая имеющуюся у них кинетическую энергию, т.е., охлаждаясь. Как правило, в графеновых фотоэлектрических приборах время охлаждения электронов, которое является основным двигателем фотоэлектрического эффекта, равняется пикосекундами, ограничивая быстродействие устройств сотнями гигагерц.

Это ограничение является причиной того, что самый быстрый фотопереключатель, созданный в прошлом году, мог работать на частоте до 500 гигагерц. Но недавно ученым удалось решить проблему ускорения процесса охлаждения носителей заряда, которое с пикосекунд сократилось до фемтосекунд, позволяя фотоэлектрическим устройствам преодолеть терагерцовую планку их быстродействия.

Следует отметить, что в реальности ученым удалось не ускорить скорость процесса охлаждения, а за счет организации эффективного взаимодействия между носителями заряда поднять уровень температуры, до которой необходимо остывать электронам. Повышенная температура приводит к более быстрому распределению электронов и это означает, что когда свет падает на поверхность материала, он очень быстро, практически мгновенно, преобразуется в электрический сигнал, однако эффективность такого преобразования снижается в пользу увеличения быстродействия.

“Созданные нами графеновые фотодатчики демонстрируют высочайшее быстродействие и некоторые другие характеристики. Это позволит их использовать в самых различных областях, где требуется высокоэффективное и быстрое преобразование света в электрический ток” – рассказывает Франк Коппенс (Frank Koppens), ученый-физик из института ICFO, – “Такие датчики способны произвести революцию в технологиях многоспектральной съемки, в области сверхскоростных коммуникаций и в других технологиях, которые сейчас активно разрабатываются в рамках международной программы Graphene Flagship”.

Источник


Поделиться ссылочкой: