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Detectando luz con grafeno
Los investigadores han explorado las extraordinarias propiedades electrónicas del grafeno para numerosas aplicaciones durante los últimos años, desde transistores ultrarrápidos hasta chips de memoria extremadamente densos. Ahora, por primera vez, los investigadores de IBM están explotando las propiedades únicas del grafeno para la optoelectrónica, utilizando láminas de grafeno para fabricar fotodetectores.
Detector de luz: Una imagen de microscopio electrónico de barrido y una imagen óptica (recuadro) muestran un fotodetector de grafeno de gran ancho de banda. Los contactos metálicos depositados en el grafeno crean un campo eléctrico que separa los electrones, lo que permite que el dispositivo detecte la luz.
Los detectores de luz se fabrican típicamente con semiconductores III-V, materiales hechos de múltiples elementos como galio y fósforo. Cuando la luz incide en estos materiales, cada fotón absorbido crea un par de electrones y agujeros, y los electrones se transportan fuera del material para producir una corriente eléctrica.
El grafeno, una lámina de átomos de carbono unidos en una estructura de panal, transporta electrones decenas de veces más rápido que los semiconductores III-V. Eso significa que los fotodetectores de grafeno podrían funcionar a frecuencias extremadamente altas, lo que los hace altamente eficientes para detectar luz y transportar los electrones resultantes a un circuito externo. El material también absorbe longitudes de onda que van desde el visible al infrarrojo, mientras que las delgadas capas de semiconductores III-V no absorben muchas frecuencias infrarrojas.
El grafeno ya se ha utilizado para fabricar varios tipos de transistores, incluidos dispositivos de radiofrecuencia ultraalta. Las láminas altamente conductoras de un átomo de espesor también podrían reemplazar al costoso y frágil óxido de indio y estaño como material de electrodo en pantallas planas flexibles y celdas solares delgadas. La gente también está considerando el grafeno para electrodos ultracondensadores y para memoria de computadora densa y ultrarrápida.
Sin embargo, a pesar de todas estas aplicaciones electrónicas, muchos expertos consideraron que el grafeno no era ideal para dispositivos ópticos. Esto se debe a que los electrones y los huecos generados por los fotones entrantes normalmente se combinan en el grafeno en decenas de picosegundos, sin dejar electrones libres para la corriente. Esto también sucede en un metal. Pero la velocidad con la que viajan las partículas cargadas en el grafeno es clave, dice Phaedon Avouris , gerente de ciencia y tecnología a escala nanométrica en el Centro de Investigación T. J. Watson de IBM y el investigador que dirigió el trabajo, que se describe en un artículo publicado en línea en Nanotecnología de la naturaleza . Si podemos tener algún tipo de campo eléctrico para separar los pares de electrones y huecos, podemos recolectarlos lo suficientemente rápido [para la corriente].
Ya se sabe que cuando los contactos metálicos se depositan en el grafeno, se generan campos eléctricos en la interfaz entre los dos materiales. Entonces los investigadores aprovecharon este campo. Su dispositivo es una pieza de grafeno de varias capas con contactos de metal en la parte superior. Cuando hacen brillar luz cerca del contacto, el campo separa los electrones y los huecos, y se genera una corriente.
Detector de luz : Un fotodetector de grafeno aprovecha el campo eléctrico que se crea en la interfaz entre los contactos metálicos (oro) y el grafeno. Cuando la luz incide sobre el grafeno, el campo ayuda a separar los electrones de los agujeros, lo que genera una corriente eléctrica.
Una sola hoja de grafeno absorbe el 2,3 por ciento de la luz que cae sobre ella, una cantidad significativa para un material de un átomo de espesor. Tiene un fotodetector que tiene una serie de ventajas: absorbe en un amplio rango de longitudes de onda, es muy rápido, tiene una alta absorbancia, es una sola capa atómica, dice Avouris. Esta combinación lo hace bastante único.
Los fotodetectores ultrarrápidos podrían utilizarse en futuras redes de comunicaciones ópticas con velocidades de datos superiores a 40 gigabits por segundo; ahora mismo, las redes ópticas tienen velocidades de datos de aproximadamente 10 gigabits por segundo. Los fotodetectores también podrían usarse en computadoras ópticas que computan con electrones pero transfieren datos usando luz en lugar de enviarlos a través de cables de cobre propensos al calor. Fengnian Xia, coautor del artículo, dice que el grafeno también sería un mejor detector de radiación de terahercios, lo que se ha mostrado prometedor para las imágenes médicas y de seguridad.
El grafeno es un gran material para la electrónica, dice Andre Geim , profesor de física en la Universidad de Manchester, Reino Unido. Muy pocas personas podrían pensar que la optoelectrónica sea de interés con este material. Esto es como aire fresco.
Los investigadores obtienen corriente en respuesta a pulsos de luz a una frecuencia de 40 gigahercios. Las frecuencias más altas que esto no son posibles con la electrónica actual, dice Avouris, pero el grafeno podría, en teoría, habilitar fotodetectores que funcionan a frecuencias incluso superiores a 0,5 terahercios.