Как графен преобразует свет в электричество?

Графен при облучении светом ведет себя иначе, чем традиционный полупроводник, однако ученые не уверены в точном механизме, который лежит в основе необычного фотоответа материала. Эксперименты на графеновых транзисторах, выполненные командой из IBM, показали, что в игру вступают либо фотогальванический, либо болометрический эффекты. Результаты будут полезны для создания новых типов сверхбыстрых и высокоэффективных фотодетекторов.

Фотодетекторы – устройства, которые преобразуют свет в электрический ток, обычно широко используются в связи, датчиках и для воспроизведения изображений. Большинство фотодетекторов изготавливаются из полупроводников группы III-V, таких как арсенид галлия. Они поглощают фотоны, генерируя пары электрон-дырка (экситоны), которые затем разделяются, давая в результате электрический ток.

Графен имеет ряд уникальных физических и механических свойств, которые делают его идеальным для фотодетекторов. Одним из важных преимуществ является высокая подвижность электронов. Фактически, они ведут себя как безмассовые частицы и движутся со скоростью 1/300 от световой. Эти частицы называются безмассовыми фермионами Дирака, и их поведение может использоваться во многих устройствах, таких как транзисторы. Графен также очень хорошо поглощает свет в широком диапазоне частот, от видимого света до инфракрасного.

Вплоть до недавнего времени исследователи верили, что графен поглощает свет посредством, по крайней мере, пяти разных механизмов – фотогальванического, через термоэлектрический или болометрический эффекты и посредством фотодесорбции кислорода или фототранзисторного усиления. Команда, возглавляемая Фэйдоном Авурисом (Phaedon Avouris) из Исследовательского центра IBM’s TJ Watson, Нью-Йорк, детально рассмотрела все эти эффекты на графеновом полевом транзисторе.

Исследователи из IBM получили свои результаты, облучая транзистор сфокусированным лазерным пучком инфракрасного света и измеряя результирующий фототок. Эксперименты выполнялись на однородном графене, а не на графеновом p-n переходе, как во многих предыдущих экспериментах подобного рода. Это позволило команде измерить внутренний фототок материала.

Когда графен поглощает свет, генерируются экситоны, которые взаимодействуют с другими электронами и дырками. Эти взаимодействия увеличивают температуру электронов, но они остаются горячими, поскольку слабо связаны с решеткой и, таким образом, отдают тепло очень медленно.

Эти горячие носители и создают фотогальванический ток в графене. Когда температура решетки увеличивается, то изменяется подвижность электронов и возникает болометрический ток в противоположном направлении. При низкой плотности зарядов фотогальванический эффект доминирует, в то время как при высоком уровне легирования электронами преобладает болометрический эффект. Ученые обнаружили, что они могут переключаться между этими двумя фототоками, изменяя плотность электронов в графеновом полевом транзисторе с помощью обратного напряжения на затворе.

Точное знание, как генерируется фототок в графене, будет играть важную роль для увеличения эффективности фотодетекторов, сделанных из этого материала.

Фототок как функция напряжения на затворе