Un gruppo di ricerca internazionale, co-guidato da un fisico dell'Università della California, lungo il fiume, ha scoperto un nuovo meccanismo per la carica ultra efficiente e il flusso di energia nel grafene, aprendo opportunità per lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi per la raccolta della luce.

I ricercatori hanno fabbricato grafene incontaminato, grafene senza impurità, in diverse forme geometriche, collegando stretti nastri e croci a ampie regioni rettangolari aperte. Hanno scoperto che quando la luce illuminava aree ristrette, come la regione in cui un nastro stretto collegava due ampie regioni, hanno rilevato una grande corrente indotta dalla luce, o fotocorrente.

La scoperta che il grafene incontaminato può convertire in modo molto efficiente la luce in elettricità potrebbe portare allo sviluppo di fotorilevatori efficienti e ultraveloci e di pannelli solari potenzialmente più efficienti.

Grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di 1 atomo disposti in un reticolo esagonale, ha molte proprietà materiali desiderabili, come l'elevata capacità di trasporto di corrente e la conduttività termica. In linea di principio, il grafene può assorbire la luce a qualsiasi frequenza, rendendolo materiale ideale per infrarossi e altri tipi di fotorilevamento, con ampie applicazioni nel biorilevamento, immagini, e visione notturna.

Nella maggior parte dei dispositivi di raccolta dell'energia solare, una fotocorrente nasce solo in presenza di una giunzione tra due materiali dissimili, come giunzioni "p-n", il confine tra due tipi di materiali semiconduttori. La corrente elettrica è generata nella regione di giunzione e si muove attraverso le regioni distinte dei due materiali.

"Ma nel grafene, tutto cambia, " disse Nathaniel Gabor, professore associato di fisica all'UCR, che ha co-diretto il progetto di ricerca. "Abbiamo scoperto che le fotocorrenti possono sorgere nel grafene incontaminato in una condizione speciale in cui l'intero foglio di grafene è completamente privo di carica elettronica in eccesso. La generazione della fotocorrente non richiede giunzioni speciali e può invece essere controllata, sorprendentemente, semplicemente tagliando e modellando il foglio di grafene in configurazioni insolite, da schiere lineari di contatti simili a scalette, a rettangoli strettamente ristretti, ai bordi rastremati e terrazzati."

Il grafene incontaminato è completamente a carica neutra, il che significa che non c'è carica elettronica in eccesso nel materiale. Quando è collegato a un dispositivo, però, una carica elettronica può essere introdotta applicando una tensione a un metallo vicino. Questa tensione può indurre una carica positiva, carica negativa, o bilanciare perfettamente le cariche negative e positive in modo che il foglio di grafene sia perfettamente neutro di carica.

"Il dispositivo di raccolta della luce che abbiamo fabbricato è spesso solo quanto un singolo atomo, " Ha detto Gabor. "Potremmo usarlo per progettare dispositivi semi-trasparenti. Questi potrebbero essere incorporati in ambienti insoliti, come finestre, oppure potrebbero essere combinati con altri dispositivi di raccolta della luce più convenzionali per raccogliere l'energia in eccesso che di solito non viene assorbita. A seconda di come i bordi vengono tagliati a forma, il dispositivo può dare segnali straordinariamente diversi."

Il team di ricerca riporta questa prima osservazione di un meccanismo fisico completamente nuovo, una fotocorrente generata in grafene a carica neutra senza bisogno di giunzioni p-n, in Nanotecnologia della natura oggi.

Il lavoro precedente del laboratorio Gabor ha mostrato una fotocorrente nei risultati del grafene da portatori di carica "caldi" altamente eccitati. Quando la luce colpisce il grafene, gli elettroni ad alta energia si rilassano per formare una popolazione di molti elettroni relativamente più freddi, Gabor ha spiegato, che vengono successivamente raccolti come correnti. Anche se il grafene non è un semiconduttore, questa popolazione di elettroni caldi indotta dalla luce può essere utilizzata per generare correnti molto grandi.

"Tutto questo comportamento è dovuto alla struttura elettronica unica del grafene, " ha detto. "In questo 'materiale meraviglioso, ' l'energia luminosa viene convertita in modo efficiente in energia elettronica, che possono essere successivamente trasportati all'interno del materiale su distanze notevolmente lunghe."

Ha spiegato che, circa un decennio fa, Si prevedeva che il grafene incontaminato esibisse un comportamento elettronico molto insolito:gli elettroni dovrebbero comportarsi come un liquido, permettendo all'energia di essere trasferita attraverso il mezzo elettronico piuttosto che spostando fisicamente le cariche.

"Ma nonostante questa previsione, nessuna misurazione della fotocorrente era stata eseguita su dispositivi di grafene incontaminati - fino ad ora, " Egli ha detto.

Il nuovo lavoro sul grafene incontaminato mostra che l'energia elettronica percorre grandi distanze in assenza di carica elettronica in eccesso.

Il team di ricerca ha trovato prove che il nuovo meccanismo si traduce in una fotorisposta notevolmente migliorata nel regime a infrarossi con una velocità operativa ultraveloce.

"Abbiamo in programma di studiare ulteriormente questo effetto in un'ampia gamma di infrarossi e altre frequenze, e misurare la sua velocità di risposta, " ha detto il primo autore Qiong Ma, un associato post-dottorato in fisica presso il Massachusetts Institute of Technology, o MIT.