Grafene, una forma ultrasottile di carbonio con eccezionali caratteristiche elettriche, ottico, e proprietà meccaniche, è diventato un centro di ricerca su una varietà di potenziali usi. Ora i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per controllare come il materiale conduce l'elettricità utilizzando impulsi di luce estremamente brevi, che potrebbe consentirne l'uso come rilevatore di luce a banda larga.
Le nuove scoperte sono pubblicate sulla rivista Lettere di revisione fisica , in un articolo dello studente laureato Alex Frenzel, Nuh Gedik, e altri tre.
I ricercatori hanno scoperto che controllando la concentrazione di elettroni in un foglio di grafene, potrebbero cambiare il modo in cui il materiale risponde a un impulso di luce breve ma intenso. Se il foglio di grafene inizia con una bassa concentrazione di elettroni, l'impulso aumenta la conduttività elettrica del materiale. Questo comportamento è simile a quello dei semiconduttori tradizionali, come silicio e germanio.
Ma se il grafene inizia con un'alta concentrazione di elettroni, l'impulso diminuisce la sua conduttività, nello stesso modo in cui si comporta di solito un metallo. Perciò, modulando la concentrazione di elettroni del grafene, i ricercatori hanno scoperto che potrebbero alterare efficacemente le proprietà fotoconduttive del grafene da semiconduttore a metallo.
La scoperta spiega anche la fotorisposta del grafene riportata in precedenza da diversi gruppi di ricerca, che ha studiato campioni di grafene con diversa concentrazione di elettroni. "Siamo stati in grado di regolare il numero di elettroni nel grafene, e ottenere una risposta, "dice Frenzel.
Per eseguire questo studio, il team ha depositato il grafene sopra uno strato isolante con una sottile pellicola metallica al di sotto di esso; applicando una tensione tra il grafene e l'elettrodo inferiore, la concentrazione di elettroni del grafene potrebbe essere sintonizzata. I ricercatori hanno quindi illuminato il grafene con un forte impulso luminoso e misurato il cambiamento di conduzione elettrica valutando la trasmissione di un secondo, impulso luminoso a bassa frequenza.
In questo caso, il laser svolge due funzioni. "Utilizziamo due diversi impulsi luminosi:uno per modificare il materiale, e uno per misurare la conduzione elettrica, "Gedik dice, aggiungendo che gli impulsi utilizzati per misurare la conduzione hanno una frequenza molto inferiore rispetto agli impulsi utilizzati per modificare il comportamento del materiale. Per realizzare questo, i ricercatori hanno sviluppato un dispositivo che era trasparente, Frenzel spiega, per consentire agli impulsi laser di attraversarlo.
Questo metodo completamente ottico evita la necessità di aggiungere ulteriori contatti elettrici al grafene. Gedik, il Professore Associato di Fisica Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn, afferma che il metodo di misurazione implementato da Frenzel è una "tecnica interessante. Normalmente, per misurare la conducibilità devi metterci dei cavi, " dice. Questo approccio, al contrario, "non ha alcun contatto."
Inoltre, i brevi impulsi di luce consentono ai ricercatori di cambiare e rivelare la risposta elettrica del grafene in solo un trilionesimo di secondo.
In una scoperta sorprendente, il team ha scoperto che parte della riduzione della conduttività ad alta concentrazione di elettroni deriva da una caratteristica unica del grafene:i suoi elettroni viaggiano a una velocità costante, simile ai fotoni, che fa diminuire la conduttività quando la temperatura dell'elettrone aumenta sotto l'illuminazione dell'impulso laser. "Il nostro esperimento rivela che la causa della fotoconduttività nel grafene è molto diversa da quella di un normale metallo o semiconduttore, "dice Frenzel.
I ricercatori affermano che il lavoro potrebbe aiutare lo sviluppo di nuovi rilevatori di luce con tempi di risposta ultrarapidi e un'elevata sensibilità su un'ampia gamma di frequenze luminose, dall'infrarosso all'ultravioletto. Sebbene il materiale sia sensibile a un'ampia gamma di frequenze, la percentuale effettiva di luce assorbita è piccola. L'applicazione pratica di un tale rivelatore richiederebbe quindi un aumento dell'efficienza di assorbimento, ad esempio utilizzando più strati di grafene, dice Gedik.
