Forschung & Entwicklung

Fortschritt in der Entwicklung von Lichtsensoren auf Graphenbasis

Die lichtinduzierte Erwärmung von Elektronen ist eine Ursache für die Eigenschaften von Graphen nach Lichtabsorption. Dies ist für die Entwicklung graphenbasierter Lichtsensortechnik von Bedeutung.

Das Kernstück vieler moderner Geräteanwendungen ist die Lichterkennung und -steuerung, wie sie beispielsweise in Smartphonekameras zum Einsatz kommt. Die Verwendung von Graphen als lichtempfindliches Material für Lichtsensoren kann gegenüber den gegenwärtig verwendeten Materialien erhebliche Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise ist Graphen in der Lage, Licht fast beliebiger Farbe zu erkennen und darauf extrem schnell, innerhalb einer Pikosekunde, elektronisch zu reagieren. Um Lichtsensoren auf Graphenbasis richtig zu entwerfen, ist es daher von entscheidender Bedeutung, die Abläufe zu verstehen, die sich im Graphen nach der Lichtabsorption vollziehen.

In ihrer Arbeit erläutern Forscher vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) unter der Leitung von Dr. Klaas-Jan Tielrooij vom ICFO (The Instiute of Photonic Sciences) in Spanien 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 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 ein Photon indirekt mehr als nur ein zusätzliches freies Elektron erzeugen und somit eine effiziente Fotoreaktion 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. Die Arbeit wurde von der DFG und der EU im Rahmen der Graphenforschung sowie durch das Jungforscherstipendium „Mineco Young Investigator“ gefördert.

Originalveröffentlichung:

[A. Tomadin et al., The ultrafast dynamics and conductivity of photoexcited graphene at different Fermi energies, Sci. Adv. 4 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aar5313]

von mn

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