由加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了石墨烯中超高效電荷和能量流動的新機(jī)制，為開發(fā)新型光捕獲設(shè)備提供了機(jī)會。

研究人員將沒有雜質(zhì)的原始石墨烯 - 石墨烯制成不同的幾何形狀，將窄帶和十字交叉連接到寬闊的矩形區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射的收縮區(qū)域，例如窄帶連接兩個寬區(qū)域的區(qū)域時，它們檢測到大的光感應(yīng)電流或光電流。

原始石墨烯可以非常有效地將光轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)現(xiàn)可以導(dǎo)致開發(fā)出高效且超快的光電探測器 - 并且可能更高效的太陽能電池板。

石墨烯是一種1原子厚的碳原子片，排列成六邊形格子，具有許多理想的材料特性，例如高載流能力和導(dǎo)熱性。原則上，石墨烯可以吸收任何頻率的光，使其成為紅外和其他類型光檢測的理想材料，在生物傳感，成像和夜視中具有廣泛的應(yīng)用。

在大多數(shù)太陽能收集裝置中，光電流僅在兩種不同材料之間存在結(jié)點(diǎn)時出現(xiàn)，例如“pn”結(jié)，兩種半導(dǎo)體材料之間的邊界。電流在結(jié)區(qū)域中產(chǎn)生并且移動通過兩種材料的不同區(qū)域。

“但在石墨烯中，一切都在變化，”UCR的物理學(xué)副教授納撒尼爾·加博爾說，他是研究項(xiàng)目的共同領(lǐng)導(dǎo)者。“我們發(fā)現(xiàn)在原始石墨烯中可能會出現(xiàn)光電流，在這種特殊情況下，整個石墨烯片完全沒有過多的電子電荷。產(chǎn)生光電流不需要特殊的連接，而是可以通過簡單地切割和成型來控制。石墨烯片成為不尋常的結(jié)構(gòu)，從階梯狀的線性接觸陣列，到狹窄的矩形，到錐形和梯形邊緣。“

原始石墨烯是完全電荷中性的，這意味著材料中沒有過量的電荷。然而，當(dāng)連接到設(shè)備中時，可以通過向附近的金屬施加電壓來引入電荷。該電壓可以誘導(dǎo)正電荷，負(fù)電荷或完全平衡負(fù)電荷和正電荷，因此石墨烯片完全是電荷中性的。

“我們制造的光捕獲裝置只有單個原子的厚度，”Gabor說。“我們可以用它來設(shè)計半透明的設(shè)備。這些設(shè)備可以嵌入不尋常的環(huán)境中，例如窗戶，或者它們可以與其他更傳統(tǒng)的光線收集設(shè)備結(jié)合使用，以獲取通常不被吸收的多余能量。關(guān)于如何將邊緣切割成形狀，該設(shè)備可以提供截然不同的信號。“

該研究小組報告了今天首次觀察到一種全新的物理機(jī)制 - 一種在電荷中性石墨烯中產(chǎn)生的光電流，而不需要pn結(jié) - 現(xiàn)在在納米技術(shù)中。

Gabor實(shí)驗(yàn)室以前的工作表明石墨烯中的光電流來自高度興奮的“熱”電荷載流子。Gabor解釋說，當(dāng)光照射石墨烯時，高能電子會放松形成許多相對較冷的電子，然后將其作為電流收集。盡管石墨烯不是半導(dǎo)體，但是這種光誘導(dǎo)的熱電子群可以用于產(chǎn)生非常大的電流。

“所有這些行為都?xì)w功于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，”他說。“在這種奇跡材料中，'光能被有效地轉(zhuǎn)換成電子能量，隨后可以在非常長的距離內(nèi)在材料內(nèi)傳輸。”

他解釋說，大約十年前，原始石墨烯預(yù)計會表現(xiàn)出非常不尋常的電子行為：電子應(yīng)該像液體一樣，允許能量通過電子介質(zhì)傳輸，而不是通過物理移動電荷。

“但是，盡管有這樣的預(yù)測，直到現(xiàn)在還沒有對原始石墨烯設(shè)備進(jìn)行光電流測量，”他說。

關(guān)于原始石墨烯的新工作表明，電子能量在沒有過多電子電荷的情況下傳播距離很遠(yuǎn)。

該研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明，新機(jī)制可以在紅外區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極大增強(qiáng)的光響應(yīng)，并具有超快的操作速度。

“我們計劃在更廣泛的紅外線和其他頻率上進(jìn)一步研究這種效應(yīng)，并測量其響應(yīng)速度，”麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士后助理馬瓊說。