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石墨烯(graphene)照光後的行為與一般半導體不同，而科學家尚未釐清其獨特光響應背後的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯電晶體進行光導實驗，發現其機制可歸因於光伏(photovoltaic)效應或輻射熱(bolometric)效應。此結果對於製造石墨烯超快高效光偵測器而言具有相當大的助益。
光偵測器能將光學訊號轉換成電流訊號，常見於通訊、感測及成像等應用。大部分的光偵測器採用三五族半導體如砷化鎵，材料吸收光子後產生電子電洞對，分離後即可形成電流。石墨烯為單原子厚的平面碳材料，具有許多獨特的物理與機械性質，可作為理想光電材料。電子在石墨烯內行為如同無靜止質量的相對論性粒子，這些被稱為迪拉克費米子(Dirac fermion)的電子速度高達光速的1/300，因此能應用於多種元件如超快電晶體。此外，石墨烯的吸光頻寬大，從可見光涵蓋至紅外光，三五族半導體則相對狹窄。
在這之前，研究人員認為至少有五種機制與石墨烯的吸光行為相關，包含光伏效應、熱電效應、輻射熱效應、氧氣光脫附以及光電晶體放大。最近，IBM的TJ Watson研究中心Phaedon Avouris等人藉由以石墨烯電晶體進行光導實驗，發現其機制主要為光伏效應或輻射熱效應。他們利用聚焦紅外光雷射照射石墨烯電晶體，並以鎖相技術測量光電流。實驗中使用均勻石墨烯，而非過去研究中常用的石墨烯p-n接面，因此能獲得石墨烯的本質光響應。
當石墨烯吸光時，所產生的電子電洞對會迅速與其他電子電洞發生交互作用，導致電子整體溫度的上升。不過由於電子與碳晶格之間的耦合相當微弱，因此熱能轉移非常緩慢。Avouris表示，就是這些熱電子形成石墨烯中的光伏電流，不過當晶格溫度升高時，電子遷移率會跟著改變，並且形成方向相反的輻射熱電流。在電子密度較低時，光伏效應為主要機制，而在高電子摻雜濃度時，則由輻射熱電流主宰。研究人員發現改變背閘極電壓可控制電子密度，進而能在兩種光電流響應機制之間作切換。
瞭解石墨烯內光電流產生的機制對於提升石墨烯光偵測器的效率相當關鍵。該團隊目前正嘗試使用本質石墨烯電漿子來增進石墨烯在中紅外光的光吸收。詳見Nature Photonics｜doi:10.1038/nphoton.2012.314。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/52141
石墨烯(graphene)照光後的行為與一般半導體不同，而科學家尚未釐清其獨特光響應背後的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯電晶體進行光導實驗，發現其機制可歸因於光伏(photovoltaic)效應或輻射熱(bolometric)效應。此結果對於製造石墨烯超快高效光偵測器而言具有相當大的助益。
光偵測器能將光學訊號轉換成電流訊號，常見於通訊、感測及成像等應用。大部分的光偵測器採用三五族半導體如砷化鎵，材料吸收光子後產生電子電洞對，分離後即可形成電流。石墨烯為單原子厚的平面碳材料，具有許多獨特的物理與機械性質，可作為理想光電材料。電子在石墨烯內行為如同無靜止質量的相對論性粒子，這些被稱為迪拉克費米子(Dirac fermion)的電子速度高達光速的1/300，因此能應用於多種元件如超快電晶體。此外，石墨烯的吸光頻寬大，從可見光涵蓋至紅外光，三五族半導體則相對狹窄。
在這之前，研究人員認為至少有五種機制與石墨烯的吸光行為相關，包含光伏效應、熱電效應、輻射熱效應、氧氣光脫附以及光電晶體放大。最近，IBM的TJ Watson研究中心Phaedon Avouris等人藉由以石墨烯電晶體進行光導實驗，發現其機制主要為光伏效應或輻射熱效應。他們利用聚焦紅外光雷射照射石墨烯電晶體，並以鎖相技術測量光電流。實驗中使用均勻石墨烯，而非過去研究中常用的石墨烯p-n接面，因此能獲得石墨烯的本質光響應。
當石墨烯吸光時，所產生的電子電洞對會迅速與其他電子電洞發生交互作用，導致電子整體溫度的上升。不過由於電子與碳晶格之間的耦合相當微弱，因此熱能轉移非常緩慢。Avouris表示，就是這些熱電子形成石墨烯中的光伏電流，不過當晶格溫度升高時，電子遷移率會跟著改變，並且形成方向相反的輻射熱電流。在電子密度較低時，光伏效應為主要機制，而在高電子摻雜濃度時，則由輻射熱電流主宰。研究人員發現改變背閘極電壓可控制電子密度，進而能在兩種光電流響應機制之間作切換。
瞭解石墨烯內光電流產生的機制對於提升石墨烯光偵測器的效率相當關鍵。該團隊目前正嘗試使用本質石墨烯電漿子來增進石墨烯在中紅外光的光吸收。詳見Nature Photonics｜doi:10.1038/nphoton.2012.314。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/52141
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