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  • El grafeno empuja el límite de velocidad de conversión de luz a electricidad

    Esta es una ilustración de la creación de fotovoltaje ultrarrápida después de la absorción de luz en la interfaz de dos áreas de grafeno con diferente energía de Fermi. Crédito:ICFO / Achim Woessner.

    La conversión eficiente de luz en electricidad juega un papel crucial en muchas tecnologías, desde cámaras hasta células solares. También constituye un paso esencial en las aplicaciones de comunicación de datos, ya que permite convertir la información transportada por la luz en información eléctrica procesable en circuitos eléctricos. El grafeno es un material excelente para la conversión ultrarrápida de luz en señales eléctricas, pero hasta ahora no se sabía qué tan rápido responde el grafeno a los destellos ultracortos de luz.

    Los investigadores del ICFO Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte y Achim Woessner dirigidos por el profesor ICFO Frank Koppens y el profesor ICREA en ICFO Niek van Hulst, en colaboración con científicos del grupo de investigación liderado por Pablo Jarillo-Herrero en el MIT y el grupo de investigación liderado por Jeanie Lau en UC Riverside, ahora han demostrado que un fotodetector basado en grafeno convierte la luz absorbida en un voltaje eléctrico a una velocidad extremadamente alta. El estudio, titulado "Generación de fotovoltaje en grafeno en una escala de tiempo de femtosegundos mediante un calentamiento eficiente de la portadora", ha sido publicado recientemente en Nanotecnología de la naturaleza .

    El nuevo dispositivo que desarrollaron los investigadores es capaz de convertir la luz en electricidad en menos de 50 femtosegundos (una vigésima de una millonésima de una millonésima de segundo). Para hacer esto, los investigadores utilizaron una combinación de excitación láser ultrarrápida en forma de pulso y lectura eléctrica de alta sensibilidad. Como comenta Klaas-Jan Tielrooij, "el experimento combinó de manera única la experiencia de modelado de pulso ultrarrápido obtenida de la fotónica ultrarrápida de una sola molécula con la experiencia en electrónica de grafeno. Facilitado por la respuesta foto-termoeléctrica no lineal del grafeno, estos elementos permitieron la observación de los tiempos de respuesta de fotodetección de femtosegundos ".

    La creación ultrarrápida de un fotovoltaje en el grafeno es posible debido a la interacción extremadamente rápida y eficiente entre todos los portadores de la banda de conducción en el grafeno. Esta interacción conduce a una rápida creación de una distribución de electrones con una temperatura de electrones elevada. Por lo tanto, la energía absorbida de la luz se convierte rápida y eficientemente en calor de electrones. Próximo, el calor de los electrones se convierte en voltaje en la interfaz de dos regiones de grafeno con diferentes dopajes. Este efecto foto-termoeléctrico resulta ocurrir casi instantáneamente, permitiendo así la conversión ultrarrápida de la luz absorbida en señales eléctricas. Como afirma el profesor van Hulst, "Es sorprendente cómo el grafeno permite la detección directa no lineal de pulsos ultrarrápidos de femtosegundos (fs)".

    Los resultados obtenidos de los hallazgos de este trabajo, que ha sido parcialmente financiado por EC Graphene Flagship, abrir un nuevo camino hacia la conversión optoelectrónica ultrarrápida. Como comenta el profesor Koppens, "Los fotodetectores de grafeno siguen mostrando un rendimiento fascinante en una amplia gama de aplicaciones".


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