石墨烯光转换机制的理解方面取得了突破性进展

来自巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的一个研究小组表示使用石墨烯作为光检测器中的光敏材料可以对现有常用材料进行重大改进，并在石墨烯光转换机制的理解方面取得了突破性进展，该研究成果已经在Science Advances杂志上发表。

图为实验技术和带间加热转换原理示意图

例如，石墨烯可以检测几乎任何波长的光，并且通常在1×10-12秒内产生极快的电子响应。因此，ICFO在其最新公告中评论道;“为了正确设计基于石墨烯的光探测器，理解石墨烯吸收光后发生的过程是至关重要的。”

ICFO研究员Frank Koppens教授和Klaas-Jan Tielrooij教授与欧洲其他研究中心的科学家合作，表示他们现在已经成功理解了这些过程。

电导率上升和下降

在Science Advances上发表的论文中，研究团队就石墨烯吸收光之后在某些情况下电导率上升而在其他情况下电导率下降这种现象给出了一个完整的解释。研究人员指出：“对于许多设想的石墨烯光电子应用而言，了解光激发后立即进行的亚皮秒载流子动力学以及光激发对导电性的影响（光电导性）至关重要。”

研究人员表明，这种行为与从吸收的光能量流向石墨烯电子的方式相关：在石墨烯吸收光之后，石墨烯电子加热的过程发生得非常快并且具有非常高的效率。对于高掺杂石墨烯（其中存在许多自由电子），超快电子加热导致产生具有升高能量的载流子，即热载流子，这反过来导致导电率降低。

有趣的是，对于弱掺杂石墨烯（其中不存在太多自由电子），电子加热导致额外自由电子的产生，并因此导致电导率的增加。这些额外的载体是石墨烯无间隙性质的直接结果，在间隙材料中，电子加热不会导致额外的自由载体产生。

石墨烯中光致电子加热这种简单情况可以解释观察到的许多效应。除了描述材料在光吸收之后的导电特性之外，它还可以解释载流子倍增的情况，其中，在特定条件下，一个吸收光粒子（光子）可以间接产生多于一个额外的自由电子。

研究资助

该研究对电子加热过程的准确理解，无疑意味着将对石墨烯基光探测技术的设计和开发将大有助益。研究工作由欧洲委员会（EC）的石墨烯旗舰项目和Mineco青年研究者基金会资助。

技术观察

Science Advances杂志上的论文摘要详细介绍了研究人员的方法，并总结了他们的发现：“我们区分了两种类型的超快光致载流子加热过程：在低（平衡）费米能（EF≲0.1eV）实验条件下，载波分布的扩大涉及带间转换。在较高费米能（EF≈0.15 eV）实验条件下，载流子分布的拓宽涉及到带内跃迁。在某些条件下，低费米能条件下可以生额外的电子空穴对，高费米能条件下产生热载流子。

未来发展

那么这个高度学术性的研究如何转化为产品和市场的发展呢？Scientific Advances文章的结论是：“我们工作的研究成果将导致基于石墨烯的光电探测器器件优化的直接投入。”