Bepalen hoe snel grafeen afkoelt

Grafeen is het dunste materiaal dat ooit is geproduceerd, met de dikte van een enkele atoomlaag. Dunner dan een miljardste meter, is het in staat om licht van het zichtbare naar het infrarood efficiënt te absorberen door de foto-excitatie van zijn ladingsdragers. Na lichtabsorptie koelen de foto-geëxciteerde ladingsdragers in enkele picoseconden af ​​tot de oorspronkelijke evenwichtstoestand, wat overeenkomt met een miljoenste van een miljoenste van een seconde. De opmerkelijke snelheid van dit relaxatieproces maakt grafeen bijzonder veelbelovend voor een aantal technologische toepassingen, waaronder lichtdetectoren, bronnen en modulatoren.

Een recente studie gepubliceerd in ACS Nano heeft aangetoond dat de relaxatietijd van grafeenladingsdragers aanzienlijk kan worden gewijzigd door een extern elektrisch veld aan te leggen. Het onderzoek is tot stand gekomen binnen een internationale samenwerking tussen de CNR-IFN, Politecnico di Milano, de Universiteit van Pisa, het Graphene Centre van Cambridge (VK) en ICN2 van Barcelona (Spanje).

“De verandering in de relaxatietijd van ladingsdragers in grafeen die we hebben waargenomen, toont een ongekend niveau van controle over de optische respons van een kristal en maakt het mogelijk een grote verscheidenheid aan gedragingen te verkrijgen met behulp van een enkel materiaal”, zegt Eva Pogna, onderzocht door CNR-IFN, eerste auteur van het werk.

Dit werk maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van apparaten die de controle over de relaxatietijd van ladingsdragers benutten om nieuwe functionaliteiten te ondersteunen. Als grafeen bijvoorbeeld wordt gebruikt als verzadigbare absorber in een laserholte om ultrakorte lichtpulsen te genereren, kunnen we door de relaxatietijd van de ladingsdragers te veranderen de duur van de uitgangspulsen regelen.

“Het specifieke apparaat dat we hebben gebruikt om grafeen te bestuderen, bleek cruciaal te zijn om de sterke afstembaarheid van zijn optische eigenschappen met het externe elektrische veld te observeren, waardoor het aantal ladingsdragers over een breed bereik kon worden veranderd door gebruik te maken van ionische vloeistofgating, die is een ultramoderne technologie die is geïntroduceerd om supergeleiders te bestuderen”, legt Andrea Ferrari uit, directeur van het Graphene Center in Cambridge.

Het op grafeen gebaseerde apparaat is bestudeerd met ultrasnelle spectroscopie, waardoor de variatie van de relaxatietijd van de ladingsdragers kon worden gevolgd.

“Dit werk vertegenwoordigt de laatste stap van een langdurige onderzoekssamenwerking gewijd aan de studie van de ultrasnelle dragerdynamiek in grafeen, gericht op het verkennen van het grote potentieel van dit fascinerende materiaal”, zoals toegevoegd door Klaas-Jan Tielrooij, leider van de Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems-groep bij ICN2.

“Deze ontdekking is van groot belang voor een aantal technologische toepassingen, variërend van fotonica, voor gepulseerde laserbronnen of optische begrenzers die beschadiging van optische componenten voorkomen, tot telecommunicatie, voor ultrasnelle detectoren en modulatoren”, concludeert Giulio Cerullo, professor van de afdeling Natuurkunde van Politecnico di Milano.