Изучен нестандартный фотоэлектрический отклик графена
Физикам из Массачусетского технологического института и японского Национального института материаловедения удалось экспериментально доказать, что фотоэлектрический отклик графена определяется «горячими» носителями заряда.
Графен является перспективным оптоэлектронным материалом, но присущий ему физический механизм создания фототока не был изучен достаточно хорошо. По результатам опытов 2008-го и 2009-го годов удалось установить, что фототок в области контакта графена с металлом генерируется за счёт стандартного фотовольтаического эффекта (фотовозбуждённые носители заряда здесь разделены внутренним электростатическим полем). Дальнейшие исследования показали, что причиной появления фототока был так называемый фототермоэлектрический (ФТЭ) эффект – он наблюдается тогда, когда излучение создаёт градиент температур на границе раздела двух материалов, имеющих разные коэффициенты Зеебека.
То, что ФТЭ-эффект должен играть значительную роль в графене, можно легко обосновать теоретически. «Горячие» электроны (подвижные носители заряда, энергетическое распределение которых смещено в сторону б?льших энергий относительно равновесного при данной температуре), которые появляются в результате облучения, передают энергию решётке, но в графене, как показывают расчёты, данный процесс может сдерживаться. Углеродная решётка долгое время остаётся «холодной», а популяция фотовозбуждённых носителей — «горячей», участвующей в создании фототока.
Авторы разработки взялись оценить вклад ФТЭ-эффекта на практике, для чего ими были изготовлены 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 было направлено 850-нанометровое лазерное излучение с фокальным пятном диаметром ~1 мкм. В области p-n перехода ученые 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.
По результатам исследований, в которых были выделены эти и другие изменения, ученые убедились 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.
(Микрофотография (масштабная полоска — 5 мкм) и схема графенового устройства. MLG — однослойный графен)
Графен является перспективным оптоэлектронным материалом, но присущий ему физический механизм создания фототока не был изучен достаточно хорошо. По результатам опытов 2008-го и 2009-го годов удалось установить, что фототок в области контакта графена с металлом генерируется за счёт стандартного фотовольтаического эффекта (фотовозбуждённые носители заряда здесь разделены внутренним электростатическим полем). Дальнейшие исследования показали, что причиной появления фототока был так называемый фототермоэлектрический (ФТЭ) эффект – он наблюдается тогда, когда излучение создаёт градиент температур на границе раздела двух материалов, имеющих разные коэффициенты Зеебека.
То, что ФТЭ-эффект должен играть значительную роль в графене, можно легко обосновать теоретически. «Горячие» электроны (подвижные носители заряда, энергетическое распределение которых смещено в сторону б?льших энергий относительно равновесного при данной температуре), которые появляются в результате облучения, передают энергию решётке, но в графене, как показывают расчёты, данный процесс может сдерживаться. Углеродная решётка долгое время остаётся «холодной», а популяция фотовозбуждённых носителей — «горячей», участвующей в создании фототока.
Авторы разработки взялись оценить вклад ФТЭ-эффекта на практике, для чего ими были изготовлены 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 было направлено 850-нанометровое лазерное излучение с фокальным пятном диаметром ~1 мкм. В области p-n перехода ученые 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.
По результатам исследований, в которых были выделены эти и другие изменения, ученые убедились 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.
(Микрофотография (масштабная полоска — 5 мкм) и схема графенового устройства. MLG — однослойный графен)