Исследователи из Института фотонных наук (Institute of Photonic Sciences, ICFO), Барселона, Испания, достаточно давно занимаются разработкой различных типов оптоэлектронных устройств, в том числе и на основе графена. Одним из их последних достижений является создание графенового сверхскоростного фотодатчика, который способен преобразовывать в электрический ток импульсы света длительностью менее 50 фемтосекунд. Фемтосекунда – это одна тысячная одной миллионной из одной миллионной доли секунды и это очень и очень быстро даже для современного уровня развития технологий.

Создать сверхскоростной фотодатчик исследователям позволило успешное решение одной из фундаментальных проблем, которой подвержены все без исключения графеновые фотоэлектрические устройства. Эта проблема заключается в недостаточном времени процесса своего рода «охлаждения» носителей электрического заряда в таких устройствах, что служит ограничением их максимального быстродействия.

Фотоэлектрический эффект возникает, когда свет фокусируется на границе между слоями графена, в структуры которых введены разные допирующие добавки. Свет является источником энергии, которая используется для формирования электронно-дырочных пар, которые в свою очередь, являются источником фотогальванического потенциала.

После того, как на стыке слоев графена сформировались электронно-дырочные пары, нагретые (обладающие высокой кинетической энергией) электроны распределяются равномерно по материалу, отдавая имеющуюся у них кинетическую энергию, т.е., охлаждаясь.

Как правило, в графеновых фотоэлектрических приборах время охлаждения электронов, которое является основным двигателем фотоэлектрического эффекта, равняется пикосекундами, ограничивая быстродействие устройств сотнями гигагерц.

Это ограничение является причиной того, что самый быстрый фотопереключатель, созданный в прошлом году, мог работать на частоте до 500 гигагерц. Но недавно ученым удалось решить проблему ускорения процесса охлаждения носителей заряда, которое с пикосекунд сократилось до фемтосекунд, позволяя фотоэлектрическим устройствам преодолеть терагерцовую планку их быстродействия.

Следует отметить, что в реальности ученым удалось не ускорить скорость процесса охлаждения, а за счет организации эффективного взаимодействия между носителями заряда поднять уровень температуры, до которой необходимо остывать электронам. Повышенная температура приводит к более быстрому распределению электронов и это означает, что когда свет падает на поверхность материала, он очень быстро, практически мгновенно, преобразуется в электрический сигнал, однако эффективность такого преобразования снижается в пользу увеличения быстродействия.

«Созданные нами графеновые фотодатчики демонстрируют высочайшее быстродействие и некоторые другие характеристики. Это позволит их использовать в самых различных областях, где требуется высокоэффективное и быстрое преобразование света в электрический ток» – рассказывает Франк Коппенс (Frank Koppens), ученый-физик из института ICFO, – «Такие датчики способны произвести революцию в технологиях многоспектральной съемки, в области сверхскоростных коммуникаций и в других технологиях, которые сейчас активно разрабатываются в рамках международной программы Graphene Flagship».