Avec des collègues internationaux, les scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont ajouté un autre élément important pour comprendre le graphène matériel; un matériau qui reçoit actuellement beaucoup d'attention :ils ont déterminé la durée de vie des électrons dans le graphène dans des gammes d'énergie inférieures. Ceci est d'une grande importance pour le développement futur de composants électroniques et optoélectroniques rapides. Les résultats ont été publiés tout récemment dans l'édition en ligne de la revue Lettres d'examen physique .

Après que la découverte du graphène a reçu le prix Nobel de physique l'année dernière, de nombreuses équipes de recherche dans le monde ont cherché à mieux comprendre les propriétés fondamentales du matériau pour permettre des applications électroniques et optoélectroniques aussi prometteuses que les transistors et les détecteurs rapides pour la transmission optique de données. Le graphène – une seule couche de carbone dont les atomes sont disposés dans un hexagone comme un nid d'abeilles – est également très intéressant comme matériau d'électrode transparent pour les écrans plats et les cellules solaires. Selon le chercheur HZDR Dr. Stephan Winnerl, le graphène pourrait remplacer le rare indium métallique de haute technologie dans ce domaine.

Avec des subventions du programme prioritaire "Graphène" de la Fondation allemande pour la recherche et des fonds de l'Union européenne, Stephan Winnerl et ses collègues du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) avec des scientifiques de la Technische Universität (TU) Berlin, le Laboratoire des Hauts Champs Magnétiques de Grenoble, et le Georgia Institute of Technology, ETATS-UNIS, a réussi à déterminer la "durée de vie" des électrons dans le graphène dans des gammes d'énergie inférieures qui n'avaient pas été étudiées auparavant.

Le comportement caractéristique des électrons dans des gammes d'énergie spécifiques que l'on trouve généralement dans les solides est l'une des nombreuses propriétés physiques dans lesquelles le graphène est fondamentalement différent de la plupart des autres matériaux :normalement, les électrons ne peuvent adopter que des niveaux d'énergie spécifiques (ceux-ci sont appelés bandes d'énergie), mais pas les autres (ceux-ci sont appelés écarts énergétiques). Ce principe est utilisé, par exemple, pour des composants optoélectroniques tels que des diodes électroluminescentes qui émettent de la lumière à des longueurs d'onde très spécifiques :Cela libère de l'énergie que les électrons libèrent en "sautant" les lacunes énergétiques.

Mais le comportement du graphène diffère des autres semi-conducteurs :les bandes d'énergie se touchent sans l'apparition de lacunes. Au lieu d'émettre de la lumière, le graphène est capable d'absorber le rayonnement d'énergies inférieures au-dessous du spectre visible, tels que le térahertz et la lumière infrarouge ; Donc, ce qui en fait un superbe matériau pour les détecteurs.

Pouvoir développer des composants électroniques et optoélectroniques rapides à base de graphène, il faut savoir précisément combien de temps les électrons persistent à des niveaux d'énergie spécifiques. L'examen de tels processus, qui se produisent dans la gamme picoseconde, c'est-à-dire l'échelle de temps d'un millionième de millionième de seconde, nécessite des méthodes d'observation extrêmement rapides. La caractéristique unique des expériences menées au Helmholtz-Zentrum de Dresde est l'exposition des échantillons de graphène à une lumière qui avait des longueurs d'onde plus longues que jamais. Cela a été rendu possible grâce aux courtes impulsions de rayonnement du laser à électrons libres (FEL) du HZDR. Les chercheurs étaient, Donc, capable d'étudier la durée de vie des électrons près du point de contact des bandes d'énergie qui est la propriété physique unique caractéristique du graphène.

Le FEL a excité les échantillons de graphène avec une lumière qui avait différentes longueurs d'onde dans la gamme infrarouge. Les chercheurs ont découvert que l'énergie des particules lumineuses excitant les électrons ainsi que les oscillations du réseau atomique influencent la durée de vie des électrons :si l'énergie des particules lumineuses est supérieure à l'énergie des oscillations du réseau, alors les électrons modifieront leur état énergétique plus rapidement et auront une durée de vie plus courte. Inversement, les électrons s'attarderont plus longtemps à un niveau d'énergie spécifique si l'énergie d'excitation est inférieure à l'énergie des oscillations du réseau.

Les enseignements tirés des expériences sont corroborés par des calculs de modèle de la TU Berlin. Ces calculs permettent une attribution claire des données expérimentales aux mécanismes physiques du graphène. Les chercheurs ont, Donc, a apporté une contribution précieuse à une meilleure compréhension des propriétés électroniques et optiques du graphène.