Графен показывает свои цвета
Графен, форма углерода, которая представляет из себя лист толщиной в один атом, приобрел репутацию удивительного материала. Это лучший из открытых проводников тепла при комнатной температуре и он в 40 раз прочнее стали. Кроме того, это полупроводник с электрической проводимостью в 1000 раз выше, чем у кремния. Это означает, что он может быть использован для устройств гораздо более чувствительных, чем это возможно сейчас, в результате чего некоторые предсказывают, что в один прекрасный день он станет материалом для компьютерных чипов. Поэтому было небольшим сюрпризом, когда Андре Гейм (на фото) и Константин Новоселов, два физика, которые занимались исследованием структуры графена, выиграли в 2010 году Нобелевскую премию за свою работу.
На самом деле путь превращения чудес графена в реальных изделиях будет тяжелым. Но Фрэнк Коппенс и его коллеги из Института фотонных наук в Барселоне уверены, что они нашли способ сделать это. Как они это описывают в журнале "Природа нанотехнологий", графен может быть использован для сверхчувствительных, недорогих фотоприемников.
Фотоприемники представляют собой устройства, которые превращают свет в электричество. Они используются в цифровых камерах, приборах ночного видения, аппаратах биомедицинских изображений, датчиках загрязнений и телекоммуникациях. Типичный фотоприемник состоит из кремниевой микросхемы диаметром несколько миллиметров, на которой свет фокусируется с помощью небольших линз. Свет, падающий на чип выбивает свободные электроны из некоторых атомов кремния, образуя сигнал, который электроника чипа преобразовывает в изображение или другую полезную информацию.
Кремниевые фотоприемники довольно сносны, хотя и с недостатком: они являются негибкими. Они также не особенно дешевы. И они не так чувствительны. Они поглощают только 10-20% света, который падает на них. Поэтому в течение многих лет, инженеры были в поисках дешевого, гибкого и чувствительного фотодетектора. Такое устройство может иметь много новых применений, например в портативной электронике. Для небольшой "умной" техники, графен, кажется, соответствует всем требованиям.
Сам по себе, графен хуже, чем кремний поглощает свет. По словам доктора Коппенса только 2,7% фотонов, падающих на поверхность попадают в плен. Но ему и его коллеге Герасиму Константатосу удалось увеличить это значение более чем на 50%, распыляя крошечные кристаллы сульфида свинца на поверхности материала.
Эти кристаллы настолько малы (от трех до десяти нанометров в поперечнике, нанометр миллиардная часть метра), что они известны как квантовые точки, потому что только при размерах, измеряемых в нанометрах, начинают проявляться чудесные эффекты квантовой механики . Одним из таких является то, что размер квантовой точки влияет на цвет света, который лучше поглощается. Чем больше точек,тем свет краснее, и наоборот, чем меньше, тем синее. Это позволяет доктору Коппенсу и доктору Константатосу охватить все длины волн - от ультрафиолетового до инфракрасного, что значительно увеличивает полезность любого фотоприемника, которые могут быть впоследствии созданы. Инфракрасный, например, играет важную роль в телекоммуникационном оборудовании и приборах ночного видения. А длины волн видимого света необходимы для камер и солнечных батарей.
По словам доктора Коппенса, взаимодействие между квантовыми точками и графеном работает, потому что графен имеет много подвижных электронов в своей структуре. (Именно по этой причине он такой хороший проводник тепла и электричества). Это обилие свободных электронов делает его особенно чувствительным к изменениям, вызываемым в квантовой точке, когда она поглощает фотон света: каждый падающий фотон мобилизует около 100 миллионов электронов. На жаргоне электронной техники, таким образом, гибрид "квантовая точка -графен" имеет чрезвычайно высокий "коэффициент усиления". А это означает, что материал может иметь даже более широкое применение, чем шикарные камеры и умная одежда. То, что доктор Коппенс и доктор Константатос на самом деле собираются сделать, это создать содержимое транзистора, который регулируется светом.
Обычный транзистор представляет из себя переключатель, в котором электрический ток (как правило, слабый) используется для регулирования прохождения другого тока (как правило, гораздо более сильного). Таким образом, любой сигнал, который несет слабый ток, усиливается сильным током, с высоким коэффициентом усиления системы.
Такие транзисторы являются рабочими лошадками обычной электроники. Но оптоэлектронный транзистор, особенно с высоким коэффициентом усиления, гораздо труднее сделать. Что очень жаль, потому что они очень востребованы в мире телекоммуникационных сетей, в которых сигналы обрабатываются локально, как электроны, а передается по междугородной связи, как свет.
На данный момент доктор Коппенс и его коллеги говорят, что их целью является создание "самого тонкого и самого гибкого детектора в мире". Следует отметить, однако, что они на самом деле размещают свои экспериментальные квантовые точки фотоприемника графена на кремниевом кристалле. Их цель при этом, чтобы показать, что технология сетки со стандартной кремниевой технологией обработки может использоваться для изготовления компьютерных чипов.
Многие пытались преодолеть барьеры, которые стоят на пути к полной интеграции информационных технологий, основанных на электронах с теми, которые основаны на фотонах, и пока никому однозначно это не удалось сделать. Будет ли доктор Ли Коппенс человеком, которому удастся сделать это, еще предстоит выяснить. Но если у него получится, то, безусловно, вся шумиха, поднятая вокруг графена, будет оправдана.
Информация
Комментировать статьи на сайте возможно только в течении 14 дней со дня публикации.
Графен, форма углерода, которая представляет из себя лист толщиной в один атом, приобрел репутацию удивительного материала. Это лучший из открытых проводников тепла при комнатной температуре и он в 40 раз прочнее стали. Кроме того, это полупроводник с электрической проводимостью в 1000 раз выше, чем у кремния. Это означает, что он может быть использован для устройств гораздо более чувствительных, чем это возможно сейчас, в результате чего некоторые предсказывают, что в один прекрасный день он станет материалом для компьютерных чипов. Поэтому было небольшим сюрпризом, когда Андре Гейм (на фото) и Константин Новоселов, два физика, которые занимались исследованием структуры графена, выиграли в 2010 году Нобелевскую премию за свою работу.
