Erste praktische Anwendung des zähen Elektronenflusses realisiert Terahertz-Fotoelektrizität in Graphen

9. November 2024 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Wenn Licht auf die Oberfläche einiger Materialien trifft, insbesondere auf solche, die eine Eigenschaft namens Fotoresistenz aufweisen, kann dies Veränderungen in ihrer elektrischen Leitfähigkeit auslösen. Graphen gehört zu diesen Materialien, da einfallendes Licht Elektronen darin anregen kann, was seine Fotoelektrizität beeinflusst.

Forscher an der National University of Singapore berichten über eine Abweichung vom Standardverhalten der Fotoresistenz bei dotiertem metallischen Graphen. In ihrer in Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie zeigen sie, dass Dirac-Elektronen in diesem Material bei kontinuierlicher Terahertz (THz)-Strahlung thermisch von der Gitterstruktur getrennt werden können, was ihren hydrodynamischen Transport anregt.

'Unsere Forschung basiert auf der zunehmenden Erkenntnis, dass traditionelle Modelle des Elektronenverhaltens nicht vollständig die Eigenschaften bestimmter fortschrittlicher Materialien, insbesondere in der quantenmechanischen Welt, erfassen', sagte Denis Bandurin, Assistenzprofessor an der NUS, Leiter des Labors für experimentelle kondensierte Materiephysik und Hauptautor der Studie, gegenüber Tech Xplore.

'Wir haben Elektronen lange Zeit als unabhängige Teilchen behandelt, die Atomen in einem Gas ähneln, um das Modell einfacher zu gestalten. Viele Phänomene, die in quantenmechanischen Materialien beobachtet wurden, ließen sich jedoch nicht erklären. Neueste Studien haben jedoch darauf hingewiesen, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen in diesen Materialien kollektiv, wie ein Fluid, wirken, was bedeutet, dass sie interagieren und gemeinsam 'fließen'.'

Das Hauptziel der Studie von Bandurin und seinen Kollegen war es, das Fluid ähnliche Verhalten der Graphen-Elektronen zu erforschen, das in jüngsten Studien berichtet wurde. Insbesondere versuchte das Team festzustellen, ob der zähe Elektronenfluss, der in Graphen beobachtet wurde, dazu beitragen könnte, eine langjährige Herausforderung im Bereich der Optoelektronik zu lösen, nämlich die Detektion von THz-Strahlung.

'THz-Wellen, die zwischen Mikrowellen und Infrarot im Spektrum liegen, sind schwer zu erkennen, haben jedoch ein enormes Anwendungspotenzial', sagte Bandurin. 'Wir wollten sehen, ob das fluidähnliche Verhalten von Elektronen die Reaktion von Graphen auf THz-Strahlung verbessern könnte, um potenziell einen praktischen, schnellen Detektor für diesen anspruchsvollen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu schaffen.'

Um die Auswirkungen von THz-Wellen auf die elektrische Leitfähigkeit von Graphen zu erkunden, bereitete das Team zunächst einzelne Graphen-Schichtproben vor, die mit zusätzlichen Elektronen 'dotiert' waren, so dass sie sich eher wie Metalle verhielten. Um effiziente Sensoren in diesen Proben zu realisieren, musste das Team sie weiter verarbeiten, da die elektrische Leitfähigkeit von Graphen nicht empfindlich auf Erhitzen durch THz-Strahlung reagiert.

'Um dieses Problem zu lösen, haben wir unsere Proben so konzipiert, dass sie eine enge Engstelle aufweisen, um viskose Effekte zu ermöglichen, die die Leitfähigkeit der Proben, die THz-Strahlung ausgesetzt sind, zu verändern', erklärte Mikhail Kravtsov, der Erstautor der Studie. 'Mithilfe hochpräziser Messgeräte konnten wir Änderungen der Elektronenbewegung und des elektrischen Widerstands innerhalb des Graphens überwachen, während es mit den THz-Wellen interagierte.'

Interessanterweise beobachteten die Forscher, dass die Viskosität der fluidähnlichen Elektronen in den dotierten metallischen Graphenproben unter dem Einfluss von THz-Licht abnahm. Dies ermöglichte es den Elektronen, leichter durch das Material zu fließen (d. h. mit geringerem Widerstand).

Bandurin und seine Kollegen haben diesen beobachteten Effekt in neu entwickelten viskosen Elektronenbolometern festgehalten. Diese Geräte können die Verschiebungen in der elektrischen Leitfähigkeit mit extrem hoher Geschwindigkeit erkennen.

'Der aufregendste Erfolg unserer Studie war die Entwicklung der ersten praktischen Anwendung des viskosen Elektronenflusses, ein Konzept, das zuvor als rein theoretisch angesehen wurde', sagte Bandurin.

'Durch die Verwendung der THz-Wellen zur Änderung der Elektronenviskosität in Graphen konnten wir erfolgreich ein Gerät entwickeln, das THz-Strahlung mit hoher Empfindlichkeit und Geschwindigkeit erkennt. Dies ist ein bedeutender Fortschritt, da es neue Möglichkeiten für die Verwendung von THz-Technologie in realen Anwendungen eröffnet - etwas, das bisher schwierig umzusetzen war.'

Die kürzlich von diesem Forscherteam durchgeführte Studie könnte wichtige Implikationen für die Entwicklung verschiedener ultraschneller und leistungsstarker THz-Technologien haben. Zum Beispiel könnte sie die Entwicklung von drahtloser Kommunikationstechnologie der nächsten Generation (6G und darüber hinaus), Navigationssystemen für autonome Fahrzeuge und Werkzeugen zur Erfassung hochauflösender astronomischer Bilder informieren. "Durch die Verbesserung unserer Fähigkeit, THz-Licht zu detektieren, könnten wir auch industrielle Prozesse wie Qualitätskontrolle und medizinische Bildgebung verbessern, bei denen dieses zerstörungsfreie Sensorik Potenzial gezeigt hat", sagte Bandurin. "Ausblickend wird unser Hauptziel sein, diese viskosen Elektronen-Bolometer zu verfeinern und sie so effektiv und praktisch wie möglich für eine breite Anwendung zu machen. Wir untersuchen Möglichkeiten, um ihre Empfindlichkeit und Haltbarkeit zu optimieren, um sicherzustellen, dass sie effizient in einer Vielzahl von Bedingungen und Anwendungen betrieben werden können." In ihren nächsten Studien planen Bandurin und seine Kollegen auch, andere Quantenmaterialien zu untersuchen, die ähnliches fluidartiges Elektronenverhalten zeigen. Dies wird es ihnen ermöglichen zu bestimmen, ob diese Materialien im Vergleich zu Graphen ähnliche oder vielleicht sogar stärker ausgeprägte Reaktionen auf THz-Strahlung zeigen. "Das Verständnis, wie man dieses kollektive Elektronenverhalten breiter nutzen kann, könnte den Weg für noch fortschrittlichere Geräte in der Optoelektronik und Quantentechnologie ebnen, was möglicherweise zu Durchbrüchen in der Datenübertragung, Bildgebung und darüber hinaus führen könnte", fügte Bandurin hinzu. Weitere Informationen: M. Kravtsov et al., Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y © 2024 Science X Network