چگونگی تبدیل نور به جریان الکتریسیته توسط گرافن

[kahrupay]

آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک ‏‏در خواص گرافن نقش دارند. ‏

به گزارش ایسنا، گرافن با قرار گرفتن در معرض نور، رفتاری متفاوت نسبت به نیمه‌رساناهای مرسوم از ‏خود نشان می‌دهد، با این حال محققان کماکان در مورد مکانیزم دقیق پاسخ‌دهی غیرمعمول ‏این ماده به نور به قطعیت نرسیده‌اند. آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ‏ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص ‏کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک (اثر تغییر مقاومت اجسام با دما) در خواص گرافن ‏نقش دارند. نتایج به دست آمده برای ساخت نسل جدید شناساگرهای نوری فوق‌سریع و پر ‏بازده از این ماده بسیار مفید خواهد بود. ‏

شناساگرهای نوری به طور معمول در کاربردهایی از قبیل ارتباطات، حسگرها و ‏تصویربرداری استفاده می‌شوند. اکثر شناساگرهای نوری از نیمه‌رساناهای نوع ‏III-V‏ مانند ‏گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند. عملکرد آنها از طریق جذب فوتون‌ها و تولید جفتِ الکترون ‏‏- حفره است که پس از آن از هم جدا شده و جریان الکتریسیته را تولید می‌کنند.

‏

تا به امروز، دانشمندان عقیده داشتند که گرافن نور را تحت پنج مکانیزم متفاوت جذب ‏می‌کند: از طریق اثرات فوتوولتائیک، ترموالکتریک و یا بولومتریک و دفع نور توسط ‏اکسیژن و یا تقویت فوتوترانزیستورها. یک گروه به رهبری فائدون آووریس از ‏IBM، این اثرات را با جزئیات کامل در آزمایشات هدایت‌سنجی نوری در ترانزیستورهای اثر میدانی ‏‏(‏FET‏) گرافنی بررسی کرده‌اند. ‏

محققان ‏IBM‏ نتایج خود را با تحریک ‏FET‏ با اشعه متمرکز مادون قرمز لیزر و پس از آن ‏اندازه‌گیری فوتوجریان با استفاده از تکنیک ‏lock-in‏ به دست آوردند. این آزمایش برخلاف ‏آزمایش‌های پیشین که بر روی گرافن‌های نوع ‏p-n‏ صورت گرفته بود، بر روی گرافن‌های ‏یکنواخت انجام شد که اندازه‌گیری پاسخ ذاتی مواد کربنی به نور را میسر می‌سازد. ‏

وقتی گرافن نور را جذب می‌کند، جفتِ الکترون- حفره، تحریک شده و متقابلا به ‏سرعت بر الکترون‌ها و حفره‌های دیگر اثر می‌گذارد. فریتگ توضیح می‌دهد که این ‏فعل و انفعالات دمای کلی الکترون‌ها را افزایش می‌دهد، اما الکترون‌ها گرمای خود را حفظ ‏می‌کنند زیرا به شکل ضعیفی به شبکه کربن جفت شده‌اند و بدین ترتیب به آرامی گرمای ‏خود را به شبکه منتقل می‌کنند. ‏

فریتگ افزود: «این حامل‌های گرم هستند که جریان فوتوولتائیک را در گرافن تولید می‏‌کنند. زمانی که دمای شبکه افزایش می‌یابد باعث تغییر حرکت الکترون شده و جریان ‏بولومتریک را در جهت معکوس تولید می‌کند. در چگالی‌های کم بار، اثر فوتوولتائیک و در ‏سطوح بیشتر الکترون، اثر بولومتریک نسبت به دیگر پدیده‌ها برتری دارند. همچنین می‌توان ‏با تغییر در چگالی الکترون در ‏FET‏ گرافنی با استفاده از ولتاژ ‏Back gate، این دو مکانیزم ‏پاسخ‌دهی را با یکدیگر تعویض کرد.»

آگاهی از چگونگی تولید جریان از نور در گرافن برای بهبود بازده شناساگرهای نوری ‏ساخته شده از این ماده امری ضروری خواهد بود. به عنوان مثال، تغییر دی‌الکتریکی که ‏ترانزیستور گرافنی بر روی آن نصب شده است جفت‌شوندگی الکترون- فونون را تغییر ‏خواهد داد و این تغییرات متعاقبا بر برتری اثرات بولومتریک و فوتوولتائیک تاثیر خواهد ‏گذاشت. ‏

این محققان نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Nature Photonics‏ منتشر کرده‌اند.‏

انتهای پیام