Un equipo de investigación internacional, codirigido por un físico de la Universidad de California, Orilla, ha descubierto un nuevo mecanismo para el flujo de energía y carga ultraeficiente en el grafeno, abriendo oportunidades para desarrollar nuevos tipos de dispositivos de captación de luz.

Los investigadores fabricaron grafeno prístino, grafeno sin impurezas, en diferentes formas geométricas, conectando cintas estrechas y cruces a regiones rectangulares abiertas de par en par. Descubrieron que cuando la luz iluminaba áreas estrechas, como la región donde una cinta estrecha conectaba dos regiones anchas, detectaron una gran corriente inducida por la luz, o fotocorriente.

El hallazgo de que el grafeno prístino puede convertir la luz en electricidad de manera muy eficiente podría conducir al desarrollo de fotodetectores eficientes y ultrarrápidos, y paneles solares potencialmente más eficientes.

Grafeno una hoja de átomos de carbono de 1 átomo de espesor dispuestas en una red hexagonal, tiene muchas propiedades deseables del material, tales como alta capacidad de transporte de corriente y conductividad térmica. En principio, el grafeno puede absorber luz a cualquier frecuencia, lo que lo convierte en un material ideal para infrarrojos y otros tipos de fotodetección, con amplias aplicaciones en biodetección, imagen y visión nocturna.

En la mayoría de los dispositivos de captación de energía solar, una fotocorriente surge solo en presencia de una unión entre dos materiales diferentes, como uniones "p-n", el límite entre dos tipos de materiales semiconductores. La corriente eléctrica se genera en la región de unión y se mueve a través de las distintas regiones de los dos materiales.

"Pero en el grafeno, todo cambia, "dijo Nathaniel Gabor, profesor asociado de física en la UCR, quien codirigió el proyecto de investigación. "Descubrimos que las fotocorriente pueden surgir en el grafeno prístino bajo una condición especial en la que toda la hoja de grafeno está completamente libre de exceso de carga electrónica. La generación de la fotocorriente no requiere uniones especiales y, en cambio, se puede controlar. asombrosamente, simplemente cortando y dando forma a la hoja de grafeno en configuraciones inusuales, a partir de arreglos lineales de contactos en forma de escalera, a rectángulos estrechamente restringidos, a bordes afilados y escalonados ".

El grafeno prístino es completamente neutral en cuanto a carga, lo que significa que no hay exceso de carga electrónica en el material. Cuando se conecta a un dispositivo, sin embargo, se puede introducir una carga electrónica aplicando un voltaje a un metal cercano. Este voltaje puede inducir una carga positiva, carga negativa, o equilibrar perfectamente las cargas negativas y positivas para que la hoja de grafeno sea perfectamente neutral en cuanto a carga.

"El dispositivo de recolección de luz que fabricamos tiene el grosor de un solo átomo, ", Dijo Gabor." Podríamos usarlo para diseñar dispositivos que son semitransparentes. Estos podrían estar integrados en entornos inusuales, como ventanas, o podrían combinarse con otros dispositivos de captación de luz más convencionales para captar el exceso de energía que normalmente no se absorbe. Dependiendo de cómo se corten los bordes a la forma, el dispositivo puede dar señales extraordinariamente diferentes ".

El equipo de investigación informa de esta primera observación de un mecanismo físico completamente nuevo, una fotocorriente generada en grafeno de carga neutra sin necesidad de uniones p-n, en Nanotecnología de la naturaleza hoy dia.

El trabajo anterior del laboratorio de Gabor mostró una fotocorriente en los resultados del grafeno de portadores de carga "calientes" altamente excitados. Cuando la luz golpea el grafeno, los electrones de alta energía se relajan para formar una población de muchos electrones relativamente más fríos, Gabor explicó, que posteriormente se recogen como actuales. Aunque el grafeno no es un semiconductor, esta población de electrones calientes inducida por la luz se puede utilizar para generar corrientes muy grandes.

"Todo este comportamiento se debe a la estructura electrónica única del grafeno, ", dijo." En este 'material maravilloso, 'la energía de la luz se convierte de manera eficiente en energía electrónica, que posteriormente se puede transportar dentro del material a distancias notablemente largas ".

Explicó que, hace aproximadamente una década, Se predijo que el grafeno prístino exhibiría un comportamiento electrónico muy inusual:los electrones deberían comportarse como un líquido, permitiendo que la energía se transfiera a través del medio electrónico en lugar de mover cargas físicamente.

"Pero a pesar de esta predicción, no se habían realizado mediciones de fotocorriente en dispositivos de grafeno prístinos, hasta ahora, " él dijo.

El nuevo trabajo sobre grafeno prístino muestra que la energía electrónica viaja grandes distancias en ausencia de un exceso de carga electrónica.

El equipo de investigación ha encontrado evidencia de que el nuevo mecanismo da como resultado una fotorrespuesta muy mejorada en el régimen de infrarrojos con una velocidad de operación ultrarrápida.

"Planeamos estudiar más a fondo este efecto en una amplia gama de frecuencias infrarrojas y de otro tipo, y medir su velocidad de respuesta, "dijo el primer autor Qiong Ma, un asociado postdoctoral en física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, o MIT.