Графеновая линза

Графеновая линза — оптическое преломляющее устройство. Уникальная двумерная сотовая решётка графена обусловливает его уникальные оптические свойства.

Графен Сотовая структура позволяет электронам вести себя как безмассовые квазичастицы, известные как дираковские фермионы. Таким образом, свойства оптической проводимости графена не ограничены параметрами материала (представлено ), где — заряд электрона, — постоянная Планка, а представляет собой универсальную проводимость.

Такое поведение характерно для нелегированного графена при абсолютном нуле температур (см. рис. 1a). В отличие от традиционных полупроводников или металлов (см. рис. 1b), запрещённая зона графена практически отсутствует, поскольку зона проводимости и валентная зона соприкасаются (см. рис. 1a). Однако величиной запрещённой зоны можно управлять с помощью легирования и электрического поля (управления затвором), меняя его оптические свойства. Благодаря настраиваемой проводимости графен подходит для различных оптических применений.

Применение

Фотодетекторы

Управление затвором и легирование позволяют регулировать оптическую поглощательную способность графена. Приложение электрического поля перпендикулярно двуслойному графену вызывает сдвиг энергии Ферми и образование искусственной ненулевой запрещённой зоны (, см. рис. 1).

где Dt = напряжённость верхнего электрического поля смещения Db = напряжённость нижнего электрического поля смещения

Изменение δD выше или ниже нуля (δD=0 соответствует нейтральному двуслойному графену без управления затвором) позволяет электронам проходить через двуслойную структуру без изменения запрещённой зоны, индуцированной затвором. Изменение среднего поля смещения D меняет спектр поглощения двуслойного графена (см. рис. 2). Оптическая перестраиваемость, возникающая в результате управления затвором и электростатического легирования (также известного как легирование зарядовой плазмой), позволяет использовать графен в качестве сверхширокополосного фотодетектора в линзах.

Чан-Хуа и др. применили графен в инфракрасном фотодетекторе, поместив изолирующий барьер из между двумя слоями графена. Слои графена стали электрически изолированными и демонстрировали среднюю разность уровней Ферми при прохождении тока через нижний слой (см. рис. 3). При освещении фотодетектора возбуждённые горячие электроны переходили из верхнего слоя графена в нижний — процесс, которому способствовала структурная асимметрия изолирующего барьера . В результате перехода горячих электронов верхний слой накапливает положительные заряды и вызывает эффект фотозатвора (фотогейтинга) на нижнем слое графена, что измеряется как изменение тока, коррелирующее с детектированием фотонов. Используя графен одновременно в качестве канала для переноса заряда и поглощения света, фотодетекторы способны регистрировать излучение от видимого до среднего инфракрасного спектра. Имея толщину в несколько нанометров и функционируя при комнатной температуре, графеновые фотодетекторы являются перспективными для применения в линзах.

Зонные пластинки Френеля

Зонные пластинки Френеля — это устройства, которые фокусируют свет в определённой точке пространства. Эти устройства концентрируют свет, отражённый от линзы, в одной точке (см. рис. 4). Состоящие из серии дисков с центром в начале координат, зонные пластинки Френеля изготавливаются с помощью лазерных импульсов, которые формируют пустоты в отражающей линзе.

Несмотря на слабую отражательную способность (R = 0,25π2α2T = ), графен подходит для использования в качестве линзы для зонных пластинок Френеля. Графеновые линзы эффективно концентрируют свет с длиной волны λ = 850 нм в одну точку на расстоянии 120 мкм от зонной пластинки Френеля (см. рис. 5). Дальнейшие исследования показывают, что интенсивность отражения возрастает линейно с увеличением количества слоёв графена в линзе (см. рис. 6).

Прозрачные проводники

Компоненты оптоэлектроники, такие как экраны на светодиодах (LED), солнечные батареи и сенсорные экраны, требуют высокопрозрачных материалов с низким поверхностным сопротивлением Rs. Для тонкой плёнки поверхностное сопротивление определяется :

где — толщина плёнки, а — проводимость на постоянном токе.

Материал с регулируемой толщиной t и проводимостью σ подходит для применения в оптоэлектронике, если величина Rs достаточно мала. Графен является именно таким материалом: количество слоёв графена, составляющих плёнку, позволяет регулировать t, а характерная возможность настраивать оптические свойства графена с помощью легирования или затвора позволяет регулировать σ. На см. рис. 7 показан потенциал графена по сравнению с другими известными прозрачными проводниками.

Необходимость в альтернативных прозрачных проводниках хорошо документально подтверждена. Прозрачные проводники на основе полупроводников, такие как легированные оксиды индия, оксиды цинка или оксиды олова, имеют практические недостатки, включая жесткие требования к обработке, высокую стоимость, чувствительность к pH и хрупкость. Однако графен лишён этих недостатков.

Примечания

Категория:Графен Категория:Линзы