آزمایشات اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه IBM در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک در خواص گرافن نقش دارند.
چگونگی تبدیل نور به جریان الکتریسیته توسط گرافن
گرافن با قرار گرفتن در معرض نور، رفتاری متفاوت نسبت به نیمه‌رساناهای مرسوم از خود نشان می‌دهد، با این حال محققان کماکان در مورد مکانیزم دقیق پاسخ‌دهی غیرمعمول این ماده به نور به قطعیت نرسیده‌اند. آزمایشات اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه IBM در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک (اثر تغییر مقاومت اجسام با دما) در خواص گرافن نقش دارند. نتایج به دست آمده برای ساخت نسل جدید شناساگرهای نوری فوق‌سریع و پر بازده از این ماده بسیار مفید خواهد بود.
شناساگرهای نوری بطور معمول در کاربردهایی از قبیل ارتباطات، حسگرها و تصویربرداری استفاده می‌شوند. اکثر شناساگرهای نوری از نیمه‌رساناهای نوع III-V مانند گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند. عملکرد آنها از طریق جذب فوتون‌ها و تولید جفتِ الکترون - حفره است که پس از آن از هم جدا شده و جریان الکتریسیته را تولید می‌کنند.
تا به امروز، دانشمندان عقیده داشتند گرافن نور را تحت پنج مکانیزم متفاوت جذب می‌کند: از طریق اثرات فوتوولتائیک، ترموالکتریک و یا بولومتریک، و دفع نور توسط اکسیژن و یا تقویت فوتوترانزیستورها. یک گروه به رهبری فائدون آووریس از IBM، اثرات فوق‌الذکر را با جزئیات کامل در آزمایشات هدایت‌سنجی نوری در ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) گرافنی بررسی کرده‌اند.
منحنی دامنه (قرمز) و فاز (آبی) فوتوجریان در مرکز یک کانال گرافن بر حسب ولتاژ گیت.
محققان IBM نتایج خود را با تحریک FET با اشعه متمرکز مادون قرمز لیزر و پس از آن اندازه‌گیری فوتوجریان با استفاده از تکنیک lock-in به دست آوردند. این آزمایش برخلاف آزمایش‌های پیشین که بر روی گرافن‌های نوع p-n صورت گرفته بود، بر روی گرافن‌های یکنواخت انجام شد که اندازه‌گیری پاسخ ذاتی مواد کربنی به نور را میسر می‌سازد.
وقتی گرافن نور را جذب می‌کند، جفتِ الکترون- حفره، تحریک شده و متقابلا به سرعت بر الکترون‌ها و حفره‌های دیگر اثر می‌گذارد. فریتگ توضیح می‌دهد که این فعل و انفعالات دمای کلی الکترون‌ها را افزایش می‌دهد، اما الکترون‌ها گرمای خود را حفظ می‌کنند زیرا به شکل ضعیفی به شبکه کربن جفت شده‌اند و بدین ترتیب به آرامی گرمای خود را به شبکه منتقل می‌کنند.
فریتگ افزود: «این حامل‌های گرم هستند که جریان فوتوولتائیک را در گرافن تولید می‌کنند. زمانی که دمای شبکه افزایش می‌یابد باعث تغییر حرکت الکترون شده و جریان بولومتریک را در جهت معکوس تولید می‌کند. در چگالی‌های کم بار، اثر فوتوولتائیک و در سطوح بیشتر الکترون، اثر بولومتریک نسبت به دیگر پدیده‌ها برتری دارند. همچنین می‌توان با تغییر در چگالی الکترون در FET گرافنی با استفاده از ولتاژ Back gate، این دو مکانیزم پاسخ‌دهی را با یکدیگر تعویض کرد.»
آگاهی از چگونگی تولید جریان از نور در گرافن برای بهبود بازده شناساگرهای نوری ساخته شده از این ماده امری ضروری خواهد بود. به عنوان مثال، تغییر دی‌الکتریکی که ترانزیستور گرافنی بر روی آن نصب شده است جفت‌شوندگی الکترون- فونون را تغییر خواهد داد و این تغییرات متعاقبا بر برتری اثرات بولومتریک و فوتوولتائیک تاثیر خواهد گذاشت.
این محققان نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Photonics منتشر کرده‌اند.
