Graphène, une forme ultrafine de carbone avec une électricité exceptionnelle, optique, et propriétés mécaniques, est devenu un centre de recherche sur une variété d'utilisations potentielles. Maintenant, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de contrôler la façon dont le matériau conduit l'électricité en utilisant des impulsions lumineuses extrêmement courtes, qui pourrait permettre son utilisation comme détecteur de lumière à large bande.
Les nouvelles découvertes sont publiées dans la revue Lettres d'examen physique , dans un article de l'étudiant diplômé Alex Frenzel, Nuh Gedik, et trois autres.
Les chercheurs ont découvert qu'en contrôlant la concentration d'électrons dans une feuille de graphène, ils pourraient changer la façon dont le matériau répond à une impulsion lumineuse courte mais intense. Si la feuille de graphène commence avec une faible concentration d'électrons, l'impulsion augmente la conductivité électrique du matériau. Ce comportement est similaire à celui des semi-conducteurs traditionnels, comme le silicium et le germanium.
Mais si le graphène commence avec une concentration élevée en électrons, l'impulsion diminue sa conductivité, de la même manière qu'un métal se comporte habituellement. Par conséquent, en modulant la concentration électronique du graphène, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient modifier efficacement les propriétés photoconductrices du graphène, de semi-conducteur à métallique.
La découverte explique également la photoréponse du graphène rapportée précédemment par différents groupes de recherche, qui a étudié des échantillons de graphène avec différentes concentrations d'électrons. "Nous avons pu régler le nombre d'électrons dans le graphène, et obtenez l'une ou l'autre réponse, " dit Frenzel.
Pour réaliser cette étude, l'équipe a déposé du graphène au-dessus d'une couche isolante avec un mince film métallique en dessous; en appliquant une tension entre le graphène et l'électrode inférieure, la concentration électronique du graphène pourrait être ajustée. Les chercheurs ont ensuite illuminé le graphène avec une forte impulsion lumineuse et mesuré le changement de conduction électrique en évaluant la transmission d'une seconde, impulsion lumineuse basse fréquence.
Dans ce cas, le laser remplit une double fonction. « Nous utilisons deux impulsions lumineuses différentes :une pour modifier la matière, et un pour mesurer la conduction électrique, " Gedik dit, ajoutant que les impulsions utilisées pour mesurer la conduction sont de fréquence beaucoup plus basse que les impulsions utilisées pour modifier le comportement du matériau. Pour y parvenir, les chercheurs ont développé un appareil transparent, Frenzel explique, pour laisser passer les impulsions laser.
Cette méthode tout optique évite d'avoir à ajouter des contacts électriques supplémentaires au graphène. Gedik, le Lawrence C. et Sarah W. Biedenharn professeur agrégé de physique, dit que la méthode de mesure mise en œuvre par Frenzel est une "technique cool. Normalement, pour mesurer la conductivité il faut mettre des fils dessus, " dit-il. Cette approche, par contre, "n'a aucun contact du tout."
En outre, les courtes impulsions lumineuses permettent aux chercheurs de modifier et de révéler la réponse électrique du graphène en seulement un billionième de seconde.
Dans une découverte surprenante, l'équipe a découvert qu'une partie de la réduction de la conductivité à haute concentration d'électrons provient d'une caractéristique unique du graphène :ses électrons se déplacent à une vitesse constante, semblable aux photons, ce qui provoque une diminution de la conductivité lorsque la température électronique augmente sous l'éclairement de l'impulsion laser. "Notre expérience révèle que la cause de la photoconductivité dans le graphène est très différente de celle d'un métal ou d'un semi-conducteur normal, " dit Frenzel.
Les chercheurs affirment que les travaux pourraient aider au développement de nouveaux détecteurs de lumière avec des temps de réponse ultrarapides et une sensibilité élevée sur une large gamme de fréquences lumineuses, de l'infrarouge à l'ultraviolet. Bien que le matériau soit sensible à une large gamme de fréquences, le pourcentage réel de lumière absorbée est faible. L'application pratique d'un tel détecteur nécessiterait donc d'augmenter l'efficacité d'absorption, comme en utilisant plusieurs couches de graphène, dit Gedik.
