06.06.2018

Heiße Elektronen im Graphen

Leitfähigkeit von Graphen kann bei Lichtabsorption je nach Dotierung steigen oder sinken.

Das Kernstück vieler moderner Geräte­anwendungen ist die Licht­erkennung und -steuerung, wie sie beispielsweise in Smart­phone-Kameras zum Einsatz kommt. Die Verwendung von Graphen als licht­empfindliches Material für Licht­sensoren kann gegenüber den gegen­wärtig verwendeten Materialien erhebliche Vorteile mit sich bringen. Beispiels­weise ist Graphen in der Lage, Licht fast beliebiger Farbe zu erkennen und darauf extrem schnell elektronisch zu reagieren. Um Licht­sensoren auf Graphen­basis richtig zu entwerfen, ist es daher von entscheidender Bedeutung, die Abläufe zu verstehen, die sich im Graphen nach der Licht­absorption vollziehen.

Abb.: Schematische Darstellung der ultra­schnellen optischen Pumpe, die eine Elektronen­erwärmung herbeiführt. Die Leit­fähigkeit des hexagonalen Graphen­gitters (Mitte, schwarz) wird unmittel­bar nach dem Erwärmungs­prozess erhöht. (Bild: F. Vialla)

Den Mainzer Forschern Hai Wang, Dmitry Turchinovich, Mathias Kläui und Mischa Bonn vom Max-Planck-Institut für Polymer­forschung sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gemeinsam mit Wissen­schaftlern verschiedener europäischer Labore gelungen, Erkenntnisse über diese Prozesse zu gewinnen. Das Projekt wurde von Klaas-Jan Tielrooij vom ICFO in Spanien geleitet. Tielrooij wurde kürzlich eine Gast­professur von der Exzellenz-Graduierten­schule „Materials Science in Mainz“ (MAINZ) zuerkannt.

Die Forscher fanden heraus, warum die Leitfähig­keit von Graphen in einigen Fällen nach der Licht­absorption steigt, während sie in anderen Fällen sinkt. Sie zeigen, dass dieses Verhalten mit der Richtung korreliert, in die die Energie aus dem absorbierten Licht zu den Graphen­elektronen fließt: Nach­dem Licht von Graphen absorbiert wird, spielen sich die Abläufe, durch die sich die Graphen­elektronen erhitzen, extrem schnell und mit einer sehr hohen Effizienz ab.

Bei hoch dotiertem Graphen mit vielen freien Elektronen führt die extrem schnelle Elektronen­erwärmung zu Ladungs­trägern mit höherer Energie, d.h. heißen Ladungs­trägern. Dies hat wiederum eine Verminderung der Leit­fähigkeit zur Folge. Interessanter­weise führt bei schwach dotiertem Graphen mit einer geringeren Anzahl freier Elektronen die Elektronen­erwärmung dazu, dass zusätzliche freie Elektronen entstehen und sich dadurch die Leit­fähigkeit erhöht. Diese zusätzlichen Träger sind das unmittel­bare Ergebnis der Band­struktur von Graphen, die keine Band­lücke aufweist. Bei Materialien mit Band­lücke führt die Erwärmung der Elektronen nicht zu zusätzlichen freien Trägern.

Dieses einfache Szenario lichtinduzierter Erwärmung von Graphen­elektronen kann viele der beobachteten Effekte erklären. Neben der Beschreibung des Leitungs­verhaltens des Materials nach der Licht­absorption erklärt es auch die Ladungs­träger­multiplikation: Hierbei kann unter bestimmten Bedingungen ein absorbiertes Licht­teilchen, also ein Photon, indirekt mehr als nur ein zusätzliches freies Elektron erzeugen und somit eine effiziente Photo­reaktion in einem elektronischen Bau­teil herbei­führen.

JGU / DE

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