Rätsel um mit Licht angeregtes Graphen gelöst

Schematische Darstellung der ultraschnellen optischen Pumpe, die eine Elektronenerwärmung herbeiführt. Die Leitfähigkeit des hexagonalen Graphengitters (Mitte, schwarz) wird unmittelbar nach dem Erwärmungsprozess erhöht. Abb./©: Fabien Vialla

Das Kernstück vieler moderner Geräteanwendungen ist die Lichterkennung und -steuerung, wie sie beispielsweise in Smartphone-Kameras 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 eines Millionstels einer Millionstel-Sekunde, 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.

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.
Diese Arbeit wurde von der DFG und der EU im Rahmen der Graphenforschung sowie durch das Jungforscherstipendium „Mineco Young Investigator“ gefördert.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_komet_graphen_lichtsensor.jpg
Schematische Darstellung der ultraschnellen optischen Pumpe, die eine Elektronenerwärmung herbeiführt. Die Leitfähigkeit des hexagonalen Graphengitters (Mitte, schwarz) wird unmittelbar nach dem Erwärmungsprozess erhöht.
Abb./©: Fabien Vialla

Veröffentlichung:
Andrea Tomadin et al.
The ultrafast dynamics and conductivity of photoexcited graphene at different Fermi energies
Science Advances, 11. Mai 2018
DOI: 10.1126/sciadv.aar5313
http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar5313.full

Kontakt:
Dr. Hai I. Wang
Max-Planck-Institut für Polymerforschung
55128 Mainz
Tel. +49 6131 379-522
E-Mail: wanghai@mpip-mainz.mpg.de
http://www.mpip-mainz.mpg.de/5111004/dr-hai-wang

Prof. Dr. Mathias Kläui
Physik der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/homepage-prof-dr-mathias-klaeui/

Weiterführende Links:
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/ – Kläui-Laboratory am Institut für Physik
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/magnetic-and-electronic-properties-of… – Forschungsprojekt „Magnetic and electronic properties of carbon allotropes“ am Kläui-Lab
https://www.iph.uni-mainz.de – Institut für Physik der JGU
http://www.mpip-mainz.mpg.de/ – Max-Planck-Institut für Polymerforschung
http://www.mainz.uni-mainz.de/ – Graduiertenschule MAINZ

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Petra Giegerich idw - Informationsdienst Wissenschaft

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