Junto con colegas internacionales, Los científicos de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han agregado otro componente importante para comprender el material grafeno; un material que actualmente está recibiendo mucha atención:han determinado la vida útil de los electrones en el grafeno en rangos de energía más bajos. Esto es de gran relevancia para el futuro desarrollo de componentes electrónicos y optoelectrónicos rápidos. Los resultados se publicaron recientemente en la edición en línea de la revista. Cartas de revisión física .

Después de que el descubrimiento del grafeno fuera galardonado con el Premio Nobel de Física el año pasado, Muchos equipos de investigación de todo el mundo han intentado comprender mejor las propiedades fundamentales del material para permitir aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas tan prometedoras como transistores y detectores rápidos para la transmisión óptica de datos. El grafeno, una única capa de carbono que tiene sus átomos dispuestos en un hexágono como un panal, también es muy interesante como material de electrodo transparente para pantallas planas y células solares. Según el investigador de HZDR, Dr. Stephan Winnerl, el grafeno podría reemplazar al indio metal de alta tecnología escaso en este campo.

Con subvenciones del programa prioritario "Grafeno" de la Fundación Alemana de Investigación y fondos de la Unión Europea, Stephan Winnerl y sus colegas en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) junto con científicos de la Technische Universität (TU) Berlín, el laboratorio de alto campo magnético de Grenoble, y el Instituto de Tecnología de Georgia, ESTADOS UNIDOS, logró determinar la "vida útil" de los electrones en el grafeno en rangos de energía más bajos que no se habían investigado antes.

El comportamiento característico de los electrones en rangos de energía específicos que se encuentran típicamente en los sólidos es una de las muchas propiedades físicas en las que el grafeno es fundamentalmente diferente de la mayoría de los otros materiales:Normalmente, los electrones solo pueden adoptar niveles de energía específicos (estos se conocen como bandas de energía), pero no otros (estos se conocen como brechas de energía). Este principio se utiliza, por ejemplo, para componentes optoelectrónicos como los diodos emisores de luz que emiten luz en longitudes de onda muy específicas:esto libera energía que los electrones liberan mientras "saltan" los huecos de energía.

Pero el comportamiento del grafeno difiere del de otros semiconductores:las bandas de energía se tocan entre sí sin que aparezcan huecos. En lugar de emitir luz, el grafeno es capaz de absorber la radiación de energías más bajas por debajo del espectro visible, como terahercios y luz infrarroja; por lo tanto, lo que lo convierte en un material excelente para detectores.

Para poder desarrollar componentes electrónicos y optoelectrónicos rápidos basados ​​en grafeno, hay que saber con precisión cuánto tiempo permanecen los electrones en niveles de energía específicos. El examen de tales procesos, que ocurren en el rango de picosegundos, es decir, la escala de tiempo de una millonésima de millonésima de segundo, requiere métodos de observación extremadamente rápidos. La característica única de los experimentos llevados a cabo en Helmholtz-Zentrum en Dresde es la exposición de las muestras de grafeno a la luz que tenía longitudes de onda más largas que nunca. Esto fue posible gracias a los cortos pulsos de radiación del láser de electrones libres (FEL) del HZDR. Los investigadores fueron, por lo tanto, capaz de estudiar la vida útil de los electrones cerca del punto de contacto de las bandas de energía, que es la propiedad física única característica del grafeno.

El FEL excitó las muestras de grafeno con luz que tenía diferentes longitudes de onda en el rango infrarrojo. Los investigadores descubrieron que la energía de las partículas de luz que excitan los electrones, así como las oscilaciones de la red atómica influyen en la vida útil de los electrones:si la energía de las partículas de luz es mayor que la energía de las oscilaciones de la red, entonces los electrones alterarán su estado energético más rápidamente y tendrán una vida útil más corta. En cambio, los electrones permanecerán más tiempo en un nivel de energía específico si la energía de excitación es menor que la energía de las oscilaciones de la red.

Los conocimientos adquiridos a partir de los experimentos están respaldados por cálculos de modelos de la TU de Berlín. Estos cálculos permiten una asignación clara de los datos experimentales a los mecanismos físicos del grafeno. Los investigadores tienen, por lo tanto, hizo una valiosa contribución para una mejor comprensión de las propiedades electrónicas y ópticas del grafeno.