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Rilevare la luce con il grafene
I ricercatori hanno esplorato le straordinarie proprietà elettroniche del grafene per numerose applicazioni negli ultimi anni, dai transistor superveloci ai chip di memoria estremamente densi. Ora, per la prima volta, i ricercatori IBM stanno sfruttando le proprietà uniche del grafene per l'optoelettronica, utilizzando fogli di grafene per realizzare fotorivelatori.
Rilevatore di luce: Un'immagine al microscopio elettronico a scansione e un'immagine ottica (inserto) mostrano un fotorilevatore al grafene ad alta larghezza di banda. I contatti metallici depositati sul grafene creano un campo elettrico che separa gli elettroni, consentendo al dispositivo di rilevare la luce.
I rilevatori di luce sono generalmente realizzati utilizzando semiconduttori III-V, materiali costituiti da più elementi come gallio e fosforo. Quando la luce colpisce questi materiali, ogni fotone assorbito crea una coppia elettrone-lacuna e gli elettroni vengono quindi trasportati fuori dal materiale per produrre una corrente elettrica.
Il grafene, un foglio di atomi di carbonio collegati in una struttura a nido d'ape, trasporta gli elettroni dieci volte più velocemente dei semiconduttori III-V. Ciò significa che i fotorivelatori di grafene potrebbero funzionare a frequenze estremamente elevate, il che li rende altamente efficienti nel rilevare la luce e nel trasportare gli elettroni risultanti a un circuito esterno. Il materiale assorbe anche lunghezze d'onda che vanno dal visibile all'infrarosso, mentre i sottili strati di semiconduttori III-V non assorbono molte frequenze infrarosse.
Il grafene è già stato utilizzato per realizzare diversi tipi di transistor, compresi i dispositivi a radiofrequenza ultraelevata. I fogli dello spessore di un atomo altamente conduttivi potrebbero anche sostituire il costoso e fragile ossido di indio-stagno come materiale per elettrodi in display flessibili a schermo piatto e celle solari sottili. Le persone stanno anche prendendo in considerazione il grafene per gli elettrodi ultracondensatori e per la memoria del computer densa e superveloce.
Eppure, nonostante tutte queste applicazioni elettroniche, molti esperti consideravano il grafene tutt'altro che ideale per i dispositivi ottici. Questo perché gli elettroni e le lacune generati dai fotoni in ingresso normalmente si combinano nel grafene entro decine di picosecondi, senza lasciare elettroni liberi per la corrente. Questo accade anche in un metallo. Ma la velocità con cui viaggiano le particelle cariche nel grafene è fondamentale, afferma Phaedon Avouris , manager per la scienza e la tecnologia su scala nanometrica presso il T.J. Watson Research Center di IBM e il ricercatore che ha guidato il lavoro, descritto in un documento pubblicato online su Nanotecnologia della natura . Se possiamo avere una sorta di campo elettrico per separare le coppie elettrone-lacuna, possiamo raccoglierle abbastanza velocemente [per la corrente].
È già noto che quando si depositano contatti metallici sul grafene, si generano campi elettrici all'interfaccia tra i due materiali. Quindi i ricercatori hanno approfittato di questo campo. Il loro dispositivo è un pezzo di grafene multistrato con contatti metallici sulla parte superiore. Quando emettono luce vicino al contatto, il campo separa gli elettroni e le lacune e viene generata una corrente.
Rilevatore di luce : Un fotorilevatore al grafene sfrutta il campo elettrico che si crea all'interfaccia tra i contatti metallici (oro) e il grafene. Quando la luce cade sul grafene, il campo aiuta a separare gli elettroni dai fori, generando una corrente elettrica.
Un singolo foglio di grafene assorbe il 2,3 percento della luce che cade su di esso, una quantità significativa per un materiale dello spessore di un atomo. Hai un fotorilevatore che ha una serie di vantaggi: assorbe su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, è molto veloce, ha un'elevata capacità di assorbimento, è un singolo strato atomico, dice Avouris. Questa combinazione lo rende piuttosto unico.
I fotorivelatori ultraveloci potrebbero trovare impiego nelle future reti di comunicazione ottica con velocità di trasmissione dati oltre i 40 gigabit al secondo; in questo momento, le reti ottiche hanno velocità di trasmissione dati di circa 10 gigabit al secondo. I fotorilevatori potrebbero essere utilizzati anche in computer ottici che calcolano con gli elettroni ma trasferiscono i dati utilizzando la luce invece di inviarli su fili di rame soggetti a calore. Fengnian Xia, un coautore del documento, afferma che il grafene sarebbe anche un rivelatore migliore per le radiazioni terahertz, che ha mostrato risultati promettenti per l'imaging medico e di sicurezza.
Il grafene è un ottimo materiale per l'elettronica, afferma Andre Geim , professore di fisica all'Università di Manchester, Regno Unito. Pochissime persone potrebbero pensare che l'optoelettronica possa essere di qualche interesse con questo materiale. È come aria fresca.
I ricercatori ricevono corrente in risposta a impulsi luminosi a una frequenza di 40 gigahertz. Frequenze superiori a questa non sono possibili con l'elettronica di oggi, afferma Avouris, ma il grafene potrebbe, in teoria, abilitare fotorivelatori che funzionano a frequenze anche superiori a 0,5 terahertz.