Niezwykle czuły detektor światła bazujący na grafenie i kropkach kwantowych

Hiszpańscy naukowcy skonstruowali nowy, niezwykle czuły detektor światła składający się z grafenu i koloidalnych kropek kwantowych. Urządzenie to jest około miliard razy czulsze, niż fotodetektory oparte tylko i wyłącznie na samym grafenie. Detektor ten może znaleźć zastosowanie w produkcji czujników światła, ogniw słonecznych, czy też kamer termowizyjnych.

„Udało nam się z powodzeniem połączyć grafen z półprzewodnikowymi nanokryształami, aby stworzyć całkowicie nowe, funkcjonalne urządzenie służące do detekcji oraz konwersji światła na energię elektryczną”, powiedział Gerasimos Konstantatos, były członek zespołu z Institute of Photonic Sciences (ICFO) w Barcelonie. „Jesteśmy bardzo zainteresowani umieszczeniem naszego urządzenia na ultracienkich, elastycznych podłożach lub zintegrowanie go z istniejącymi chipami komputerowymi”, dodał Frank Koppens.

Grafen i jego niezwykłe właściwości

Grafen to jednoatomowa warstwa atomów węgla ułożonych w strukturę kształtem przypominającą plaster miodu. Według wielu przewidywań materiał ten może znaleźć zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a w przyszłości, dzięki swoim unikalnym właściwościom zastąpić krzem – obecnie podstawowy materiał przemysłu elektronicznego. Do tych unikalnych właściwości grafenu możemy zaliczyć przede wszystkim bardzo dużą przewodność elektryczną, pochodzącą od bardzo szybko poruszających się elektronów, zachowujących się jak cząstki Diraca tj. cząstki o praktycznie zerowej masie spoczynkowej. Oprócz tego grafen wykazuje również bardzo obiecujące właściwości pod kątem zastosowania go w fotonice, ponieważ posiada niezwykle wysoką tzw. „wewnętrzną wydajność kwantową” – prawie każdy foton zaabsorbowany przez grafen generuje parę elektron-dziura mogącą ulec konwersji na prąd elektryczny. Dodatkowo, ze względu na obecność bardzo szybko poruszających się elektronów, może absorbować światło o dowolnej długości fali (a więc o dowolnym kolorze).

Do wad grafenu należy niska „zewnętrzna wydajność kwantowa” na poziomie około 3% absorpcji światła padającego na jego powierzchnię. Innym problemem jest kształt kontaktów elektrycznych, które w przypadku urządzeń opartych na grafenie muszą charakteryzować się pewną „asymetrią” i jak do tej pory okazało się to trudne do zrealizowania.

Grafen i taśma klejąca

Zespół Koppensa otrzymywał grafen korzystając z bardzo znanej metody „taśmy samoprzylepnej”. Technika ta polega na umieszczaniu grafitu na małym kawałku taśmy klejącej i następnie kilkukrotnym jej składaniu i rozkładaniu, aż do momentu uzyskania szarych przezroczystych kawałków materiału (grafen), znacznie różniących się od czarnego i błyszczącego grafitu. W kolejnym kroku taśmę przykleja się do odpowiednio przygotowanego podłoża i następnie się ją usuwa. „Widzieliśmy wiele kawałków grafitu o różnej grubości, z których wybieraliśmy tylko te o najniższym kontraście, będące kawałkami grafenu. Zadziwiający jest fakt, że udało nam się zaobserwować gołym okiem jednoatomową warstwę tego materiału – konsekwencja bardzo silnego oddziaływania grafenu ze światłem”, powiedział Koppens.

Otrzymaną w opisany wyżej sposób warstwę grafenu łączono następnie z dwoma złotymi elektrodami, używając w tym celu kontaktów elektrycznych wykonanych techniką litograficzną. Ostatnim krokiem było ustanowienie połączenia pomiędzy grafenem i koloidalnymi kropkami kwantowymi. „Zdecydowaliśmy się zastosować kropki kwantowe ze względu na ich unikalne właściwości optoelektroniczne”, powiedział Konstantatos. Poprzez zmianę ich rozmiaru naukowcy mogli sterować długością fali świetlnej absorbowaną przez takie struktury.

Koloidalne kropki kwantowe użyte w urządzeniu wykonano z siarczku ołowiu (PbS), ponieważ przerwa energetyczna tego półprzewodnika może być strojona w ważnych technologicznie długościach fali z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR) (ang. near-infrared radiation). „Zasadniczą częścią naszego eksperymentu była wymiana ligandu w celu wytworzenia wiązania poprzecznego pomiędzy kropkami kwantowymi, a krótkimi (ok. 0,2 nm) cząsteczkami i przyłączenia ich następnie do grafenu”, wyjaśnił Konstantatos. „Celem tego procesu była pasywacja stanów powierzchniowych kropek kwantowych, która miała za zadanie umożliwić efektywny transfer ładunku do grafenu oraz zminimalizować niepożądane rekombinacje elektronów i dziur, które powodowałyby obniżanie wartości prądu generowanego przez nasz fotodetektor”.

Silna absorpcja światła przez koloidalne kropki kwantowe

Po osadzeniu na powierzchni grafenu cienkiej warstwy kropek kwantowych, naukowcy z ICFO testowali swoje urządzenie wystawiając je na działanie światła słonecznego. Jednym z badanych parametrów urządzenia była jego rezystancja. Okazało się, że fotodetektor wykrywał światło nawet o bardzo słabej intensywności, czego dowodem były zmiany jego oporu. Ponieważ urządzenie to zostało zaprojektowane w układzie tranzystora (zobacz powyższy rysunek), dlatego też poprzez zmianę napięcia przykładanego do bramki (jedna z elektrod tranzystora) możliwym było zmienianie gęstości ładunku w warstwie grafenu. „Na podstawie otrzymanych wyników, mogliśmy z bardzo dużą precyzją oszacować zewnętrzną wydajność kwantową naszego urządzenia. Wartość tego parametru wyniosła około 25%. Na tak świetny wynik złożyło się zarówno zastosowanie w urządzeniu kropek kwantowych, silnie pochłaniających światło słoneczne, jak i skuteczny transfer ładunku pomiędzy kropkami, a grafenem”, powiedział Koppens.

Zasada działania wielu obecnie istniejących urządzeń fotonicznych polega na niezwykle wydajnym przetwarzaniu światła na energię elektryczną, wspomniał Koppens. „Nasz detektor może być wykorzystywany w aparatach cyfrowych, kamerach termowizyjnych, jak również w systemach biomedycznego obrazowania”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com