Как долго живут электроны в графене?

Совместно с зарубежными коллегами, ученые Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) добавили еще один важный аспект в понимание  графена, материала, которому в настоящее время уделяется достаточно много внимания: они определили время жизни электронов в графене в нижнем диапазоне энергий. Это имеет большое значение для дальнейшего развития быстродействующих электронных и оптоэлектронных компонентов. Результаты были опубликованы недавно в онлайн-выпуске журнала Physical Review Letters.

После того, как за открытие графена в прошлом году была вручена Нобелевская премия по физике, многие исследовательские группы по всему миру стремятся лучше понять фундаментальные свойства материала, чтобы разрешить такие перспективные электронные и оптоэлектронные приложения, как транзисторы и быстрые детекторы для оптической передачи данных. Графен - единственный углеродной слой, атомы которого расположены в виде шестиугольника, как соты - также очень интересен, как прозрачный материал для электродов плоских экранов и солнечных батарей. По словам исследователя HZDR д-р Стефан Виннерлю (Stephan Winnerl), графен в этой области может заменить дефицитный металл индия.

При финансовой поддержке Немецкого научно-исследовательского фонда "Графен" и Европейского союза, Стефан Виннерлю (Stephan Winnerl) и его коллеги из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), совместно с учеными из Технического университета (ТУ) Берлина, Гренобльской лаборатории сверхсильных магнитных полей и Технологического институт штата Джорджия, США, удалось определить «время жизни» электронов в графене в нижнем диапазоне энергий, которые не исследовались ранее.

Характерное поведение электронов в определенных диапазонах энергии - одно из многих физических свойств графена, которые принципиально отличают его от большинства других материалов: обычно, электроны могут принимать только определенные уровни энергии (энергетические зоны), а другие нет (запрещенные зоны). Этот принцип используется, например, для таких оптоэлектронных компонентов, как светодиоды, испускающие свет определенных длин волн: энергия высвобождается, когда электроны "перескакивают" через запрещенные зоны.

Но поведение графена отличается от других полупроводников: энергетические зоны касаются друг друга без появления каких-либо пробелов. Вместо того, чтобы излучать свет, графен способен поглощать излучение ниже видимого спектра, такие как терагерцовый и инфракрасный свет, что делает его превосходным материалом для детекторов.

Чтобы иметь возможность развивать быстродействующие электронные и оптоэлектронные компоненты на основе графена, нужно точно знать, как долго задерживаются электроны на определенных энергетических уровнях. Рассмотрение таких процессов, которые происходят в пикосекундном диапазоне, то есть временной масштаб одной миллионной одной миллионной секунды, требует очень точных методов наблюдения. Уникальной особенностью экспериментов, проведенных на Helmholtz-Zentrum в Дрездене, является воздействие на образцы графена светом, с более длинными волнами, чем когда-либо прежде. Это стало возможным благодаря короткоимпульсному излучению Лазера на свободных электронах (ЛСЭ, англ. Free Electron Laser, FEL) в HZDR. Исследователи, таким образом, имели возможность изучать электроны вблизи контакта энергетических зон, который является уникальной физической особенностью графена.

ЛСЭ возбуждал графеновые образцы светом, который имел разные длины волн в инфракрасном диапазоне. Исследователи обнаружили, что энергия частиц света, захватываемых электронами, а также колебания атомной решетки влияют на жизнь электронов: если энергия частиц света больше, чем энергия колебаний решетки, то электроны изменяют свое энергетическое состояние быстрее и имеют более короткий срок жизни. С другой стороны, электроны будут задерживаться дольше на определенном уровне энергии, если энергия возбуждения ниже, чем энергия колебаний решетки.

Знания, накопленные в ходе экспериментов, обоснованы модельными расчетами, которые проделали специалисты Берлинского Технического университета. Ученые, таким образом, внесли ценный вклад в понимание электронных и оптических свойств графена.