Rätsel um mit Licht angeregtes Graphen gelöst
Fortschritt in der Entwicklung von Lichtsensoren auf Graphenbasis
© Fabien Vialla
Den Mainzer Forschern Dr. Hai Wang, Prof. Dr. Dmitry Turchinovich, Prof. Dr. Mathias Kläui und Prof. Dr. Mischa Bonn vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung beziehungsweise der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gemeinsam mit Wissenschaftlern verschiedener europäischer Labore gelungen, Erkenntnisse über diese Prozesse zu gewinnen. Das Projekt wurde von Dr. Klaas-Jan Tielrooij vom ICFO in Spanien geleitet. Tielrooij wurde kürzlich eine Gastprofessur von der Exzellenz-Graduiertenschule „Materials Science in Mainz" (MAINZ) zuerkannt.
In ihrer kürzlich im Wissenschaftsjournal Science Advances veröffentlichten Arbeit erläutern die Forscher detailliert, warum die Leitfähigkeit von Graphen in einigen Fällen nach der Lichtabsorption steigt, während sie in anderen Fällen sinkt. Sie zeigen, dass dieses Verhalten mit der Richtung korreliert, in die die Energie aus dem absorbierten Licht zu den Graphenelektronen fließt: Nachdem Licht von Graphen absorbiert wird, spielen sich die Abläufe, durch die sich die Graphenelektronen erhitzen, extrem schnell und mit einer sehr hohen Effizienz ab.
Bei hoch dotiertem Graphen mit vielen freien Elektronen führt die extrem schnelle Elektronenerwärmung zu Ladungsträgern mit höherer Energie, sogenannten heißen Ladungsträgern. Dies hat wiederum eine Verminderung der Leitfähigkeit zur Folge. Interessanterweise führt bei schwach dotiertem Graphen mit einer geringeren Anzahl freier Elektronen die Elektronenerwärmung dazu, dass zusätzliche freie Elektronen entstehen und sich dadurch die Leitfähigkeit erhöht. Diese zusätzlichen Träger sind das unmittelbare Ergebnis der Bandstruktur von Graphen, die keine Bandlücke aufweist. Bei Materialien mit Bandlücke führt die Erwärmung der Elektronen nicht zu zusätzlichen freien Trägern.
Dieses einfache Szenario lichtinduzierter Erwärmung von Graphenelektronen kann viele der beobachteten Effekte erklären. Neben der Beschreibung des Leitungsverhaltens des Materials nach der Lichtabsorption erklärt es auch die Ladungsträgermultiplikation: Hierbei kann unter bestimmten Bedingungen ein absorbiertes Lichtteilchen, also ein Photon, indirekt mehr als nur ein zusätzliches freies Elektron erzeugen und somit eine effiziente Photoreaktion in einem elektronischen Bauteil herbeiführen.
Die Ergebnisse der Forschungsarbeit, insbesondere das genaue Verständnis der Elektronenerwärmung, werden einen bedeutenden Fortschritt für den Entwurf und die Entwicklung graphenbasierter Lichtsensortechnik darstellen.
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