Grafeno una forma ultrafina de carbono con excepcional electricidad, óptico, y propiedades mecánicas, se ha convertido en un foco de investigación sobre una variedad de usos potenciales. Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una forma de controlar cómo el material conduce la electricidad mediante el uso de pulsos de luz extremadamente cortos. que podría permitir su uso como detector de luz de banda ancha.

Los nuevos hallazgos se publican en la revista Cartas de revisión física , en un artículo del estudiante graduado Alex Frenzel, Nuh Gedik, y otros tres.

Los investigadores encontraron que al controlar la concentración de electrones en una hoja de grafeno, podrían cambiar la forma en que el material responde a un pulso de luz corto pero intenso. Si la hoja de grafeno comienza con una baja concentración de electrones, el pulso aumenta la conductividad eléctrica del material. Este comportamiento es similar al de los semiconductores tradicionales, como el silicio y el germanio.

Pero si el grafeno comienza con una alta concentración de electrones, el pulso disminuye su conductividad, de la misma manera que normalmente se comporta un metal. Por lo tanto, Modulando la concentración de electrones del grafeno, los investigadores descubrieron que podían alterar eficazmente las propiedades fotoconductoras del grafeno de semiconductores a metálicas.

El hallazgo también explica la fotorrespuesta del grafeno reportada previamente por diferentes grupos de investigación, que estudió muestras de grafeno con diferente concentración de electrones. "Pudimos ajustar la cantidad de electrones en el grafeno, y obtenga una respuesta, "Dice Frenzel.

Para realizar este estudio, el equipo depositó grafeno sobre una capa aislante con una fina película metálica debajo; aplicando un voltaje entre el grafeno y el electrodo inferior, la concentración de electrones del grafeno podría ajustarse. Luego, los investigadores iluminaron el grafeno con un fuerte pulso de luz y midieron el cambio de conducción eléctrica evaluando la transmisión de un segundo, pulso de luz de baja frecuencia.

En este caso, el láser realiza funciones duales. "Usamos dos pulsos de luz diferentes:uno para modificar el material, y uno para medir la conducción eléctrica, "Gedik dice, agregando que los pulsos usados ​​para medir la conducción tienen una frecuencia mucho más baja que los pulsos usados ​​para modificar el comportamiento del material. Para lograr esto, los investigadores desarrollaron un dispositivo que era transparente, Frenzel explica, para permitir que los pulsos de láser lo atraviesen.

Este método totalmente óptico evita la necesidad de agregar contactos eléctricos adicionales al grafeno. Gedik, el Profesor Asociado de Física Lawrence C. y Sarah W. Biedenharn, dice que el método de medición que implementó Frenzel es una "técnica genial. Normalmente, para medir la conductividad hay que ponerle cables, ", dice. Este enfoque, por el contrario, "no tiene ningún contacto".

Adicionalmente, los pulsos de luz cortos permiten a los investigadores cambiar y revelar la respuesta eléctrica del grafeno en solo una billonésima de segundo.

En un hallazgo sorprendente, el equipo descubrió que parte de la reducción de la conductividad a una alta concentración de electrones se debe a una característica única del grafeno:sus electrones viajan a una velocidad constante, similar a los fotones, lo que hace que la conductividad disminuya cuando la temperatura del electrón aumenta bajo la iluminación del pulso láser. "Nuestro experimento revela que la causa de la fotoconductividad en el grafeno es muy diferente a la de un metal o semiconductor normal, "Dice Frenzel.

Los investigadores dicen que el trabajo podría ayudar al desarrollo de nuevos detectores de luz con tiempos de respuesta ultrarrápidos y alta sensibilidad en una amplia gama de frecuencias de luz. del infrarrojo al ultravioleta. Si bien el material es sensible a una amplia gama de frecuencias, el porcentaje real de luz absorbida es pequeño. Por tanto, la aplicación práctica de un detector de este tipo requeriría una mayor eficiencia de absorción, como mediante el uso de varias capas de grafeno, Dice Gedik.