Une équipe de recherche internationale, codirigé par un physicien de l'Université de Californie, Bord de rivière, a découvert un nouveau mécanisme de flux de charge et d'énergie ultra-efficace dans le graphène, ouvrant des opportunités pour développer de nouveaux types de dispositifs de récolte de lumière.

Les chercheurs ont fabriqué du graphène vierge - du graphène sans impuretés - en différentes formes géométriques, reliant des rubans étroits et des croix à des régions rectangulaires largement ouvertes. Ils ont découvert que lorsque la lumière éclairait les zones restreintes, comme la région où un ruban étroit reliait deux régions larges, ils ont détecté un grand courant induit par la lumière, ou photocourant.

La découverte que le graphène vierge peut très efficacement convertir la lumière en électricité pourrait conduire au développement de photodétecteurs efficaces et ultrarapides, et potentiellement de panneaux solaires plus efficaces.

Graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur de 1 atome disposée en un réseau hexagonal, a de nombreuses propriétés matérielles souhaitables, telles que la capacité de transport de courant élevée et la conductivité thermique. En principe, le graphène peut absorber la lumière à n'importe quelle fréquence, ce qui en fait un matériau idéal pour l'infrarouge et d'autres types de photodétection, avec de larges applications en bio-détection, imagerie, et vision nocturne.

Dans la plupart des appareils de récupération d'énergie solaire, un photocourant n'apparaît qu'en présence d'une jonction entre deux matériaux dissemblables, telles que les jonctions "p-n", la frontière entre deux types de matériaux semi-conducteurs. Le courant électrique est généré dans la région de jonction et se déplace à travers les régions distinctes des deux matériaux.

"Mais dans le graphène, tout change, " dit Nathaniel Gabor, professeur agrégé de physique à l'UCR, qui a co-dirigé le projet de recherche. "Nous avons découvert que des photocourants peuvent apparaître dans le graphène vierge dans des conditions spéciales dans lesquelles toute la feuille de graphène est totalement exempte de charge électronique excessive. La génération du photocourant ne nécessite aucune jonction spéciale et peut à la place être contrôlée, étonnamment, en coupant et en façonnant simplement la feuille de graphène dans des configurations inhabituelles, à partir de réseaux linéaires de contacts en échelle, aux rectangles étroits, aux bords effilés et en terrasse."

Le graphène vierge est complètement neutre en charge, ce qui signifie qu'il n'y a pas de charge électronique excessive dans le matériau. Lorsqu'il est connecté à un appareil, cependant, une charge électronique peut être introduite en appliquant une tension à un métal voisin. Cette tension peut induire une charge positive, charge négative, ou équilibrer parfaitement les charges négatives et positives afin que la feuille de graphène soit parfaitement neutre en termes de charge.

"Le dispositif de récolte de lumière que nous avons fabriqué est aussi épais qu'un seul atome, " a déclaré Gabor. "Nous pourrions l'utiliser pour concevoir des appareils semi-transparents. Ceux-ci pourraient être intégrés dans des environnements inhabituels, comme les fenêtres, ou ils pourraient être combinés avec d'autres dispositifs de récolte de lumière plus conventionnels pour récolter l'excès d'énergie qui n'est généralement pas absorbé. Selon la façon dont les bords sont coupés en forme, l'appareil peut donner des signaux extraordinairement différents."

L'équipe de recherche rapporte cette première observation d'un mécanisme physique entièrement nouveau - un photocourant généré dans du graphène à charge neutre sans avoir besoin de jonctions p-n - dans Nature Nanotechnologie aujourd'hui.

Des travaux antérieurs du laboratoire Gabor ont montré un photocourant dans les résultats du graphène à partir de porteurs de charge "chauds" hautement excités. Quand la lumière frappe le graphène, les électrons de haute énergie se détendent pour former une population de nombreux électrons relativement plus froids, Gabor a expliqué, qui sont ensuite collectés sous forme de courant. Même si le graphène n'est pas un semi-conducteur, cette population d'électrons chauds induite par la lumière peut être utilisée pour générer de très grands courants.

"Tout ce comportement est dû à la structure électronique unique du graphène, " dit-il. " Dans ce 'matériel merveilleux, ' l'énergie lumineuse est efficacement convertie en énergie électronique, qui peuvent ensuite être transportés à l'intérieur du matériau sur des distances remarquablement longues."

Il a expliqué que, il y a une dizaine d'années, le graphène vierge devait présenter un comportement électronique très inhabituel :les électrons devraient se comporter comme un liquide, permettant à l'énergie d'être transférée à travers le support électronique plutôt qu'en déplaçant des charges physiquement.

"Mais malgré cette prédiction, aucune mesure de photocourant n'avait été effectuée sur des appareils en graphène vierge - jusqu'à présent, " il a dit.

Les nouveaux travaux sur le graphène vierge montrent que l'énergie électronique parcourt de grandes distances en l'absence de charge électronique excessive.

L'équipe de recherche a trouvé des preuves que le nouveau mécanisme entraîne une photoréponse considérablement améliorée dans le régime infrarouge avec une vitesse de fonctionnement ultrarapide.

"Nous prévoyons d'étudier plus avant cet effet dans une large gamme de fréquences infrarouges et autres, et mesurer sa vitesse de réponse, " a déclaré le premier auteur Qiong Ma, un associé postdoctoral en physique au Massachusetts Institute of Technology, ou MIT.