Grafenová čočka - Graphene lens

tento článek potřebuje víc odkazy na další články pomoci integrovat to do encyklopedie. Prosím pomozte vylepšit tento článek přidáním odkazů které jsou relevantní pro kontext v rámci stávajícího textu. (Říjen 2015) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Aplikace grafenu jako optické čočky. Unikátní 2-D struktura plástev grafen přispívá k jeho jedinečným optickým vlastnostem. Struktura voštin umožňuje elektronům existovat jako nehmotné kvazičástice známé jako Diracovy fermiony.^[1] Vlastnosti optické vodivosti grafenu tak nebrání žádným materiálovým parametrům představovaným rovnicí 1, kde e je elektronový náboj, h je Planckova konstanta a „e ^ 2“ / „h“ představuje univerzální vodivost.^[2]

Rovnice 1

             ${ displaystyle  sigma _ { text {uni}} = { frac {( pi) e ^ {2}} {2h}}}$

Toto jednoduché chování je výsledkem nedotovaného grafenového materiálu při nulové teplotě (obrázek 1a).^[3] Na rozdíl od tradičních polovodičů nebo kovů (obrázek 1b); mezera pásma grafenu téměř neexistuje, protože vodivé a valenční pásy se dotýkají (obrázek 1a). Mezera v pásmu je však laditelná pomocí dopingu a elektrického hradlování, což má za následek změny optických vlastností grafenu.^[4] Díky své nastavitelné vodivosti se grafen používá v různých optických aplikacích.

Grafenové čočky jako ultraširoké fotodetektory

Elektrické hradlování a doping umožňují nastavení optické absorpce grafenu.^[5][6] Aplikace elektrických polí příčně na střídavé grafenové dvojvrstvy generuje posun Fermiho energie a umělou, nenulovou pásmovou mezeru (rovnice 2^[7] Obrázek 1).

Optická laditelnost grafenu pod silným elektrickým hradlem

Rovnice 2

   δD = Dt - Db kde Dt = pole elektrického elektrického posunutí nahoře Db = pole elektrického elektrického posunutí dole

Měnící se δD nad nebo pod nulou (δD = 0 označuje negované, neutrální dvojvrstvy) umožňuje elektronům procházet dvojvrstvou, aniž by se změnila pásmová mezera indukovaná hradlováním.^[8] Jak je znázorněno na obrázku 2, měnící se průměrné pole posunutí, D, mění absorpční spektra dvojvrstvy. Optická laditelnost vyplývající z hradlování a elektrostatického dopingu (také známého jako doping plazmy náboje)^[9]) umožňuje aplikaci grafenu jako ultra širokopásmových fotodetektorů v čočkách.^[10]

Chang-Hua a kol. implementoval grafen v infračerveném fotodetektoru vložením izolační bariéry Ta2O5 mezi dva grafenové listy.^[11] Grafenové vrstvy se elektricky izolovaly a vykazovaly průměrný rozdíl Fermi 0,12 eV, když proud prošel spodní vrstvou (obrázek 3). Když je fotodetektor vystaven světlu, excitované horké elektrony přecházejí z vrchní vrstvy grafenu dolů, což je proces podporovaný strukturální asymetrií izolační bariéry Ta2O5.^[12][13] V důsledku přechodu horkých elektronů se v horní vrstvě hromadí kladné náboje a vyvolává se fotogra fování ^[14][15] účinek na spodní vrstvu grafenu, který se měří jako změna proudu v korelaci s detekcí fotonů.^[16] Grafenové ultraširokopásmové fotodetektory využívající grafen jako kanál pro přenos náboje a absorpci světla dovedně detekují viditelné až střední infračervené spektrum. Nanometry tenké a funkční při pokojové teplotě, ultraširokopásmové fotodetektory grafenu vykazují slib v aplikaci čoček.

Grafenové čočky jako Fresnelovy zónové desky

Obrázek 4, grafenová Fresnelova zónová deska odráží světlo do jediného bodu.^[17][18]

Fresnelovy zónové desky jsou zařízení, která zaostřují světlo na pevný bod v prostoru. Tato zařízení koncentrují světlo odražené od čočky na singulární bod8 (obrázek 4). Fresnelovy zónové desky, které se skládají ze série disků soustředěných kolem původu, se vyrábějí pomocí laserových pulzů, které zaplňují dutiny do reflexních čoček.

Přes svou slabou odrazivost (R = 0,25π2 α 2 při T = 1,3 × 10-4 K) má grafen užitečnost jako čočka pro Fresnelovy zónové desky.^[19] Ukázalo se, že grafenové čočky účinně koncentrují světlo ʎ = 850 nm do jediného bodu 120 um od desky Fresnelovy zóny8^[20] (obrázek 5). Další výzkum ukazuje, že intenzita odraženého záření se zvyšuje lineárně s počtem grafenových vrstev v čočce^[21] (obrázek 6).

Grafenové čočky jako průhledné vodiče

Optoelektronické součásti, jako jsou displeje s LED diodami, solární články a dotykové obrazovky, vyžadují vysoce transparentní materiály s nízkým odporem plechu, Rs. U tenkého filmu je odpor plechu dán rovnicí 3:

Rovnice 3

      ${ displaystyle R _ { text {s}} = { frac {t} { sigma}}}$     s t = tloušťka filmu ${ displaystyle  sigma = {d.c. vodivost}}$

Materiál s nastavitelnou tloušťkou, t a vodivostí, σ, má užitečné optoelektronické aplikace, pokud je Rs přiměřeně malý. Grafen je takový materiál; množství grafenových vrstev, které tvoří film, může ladit t a inherentní laditelnost optických vlastností grafenu pomocí dopingu nebo strouhání může ladit sigma. Obrázek 7^[22][23][24] ukazuje potenciál grafenu ve srovnání s jinými známými transparentními vodiči.

Potřeba alternativních průhledných vodičů je dobře zdokumentována.^[25][26][27] Současné transparentní vodiče na bázi polovodičů, jako jsou dotované oxidy india, oxidy zinečnaté nebo oxidy cínu, trpí praktickými pády, včetně přísných požadavků na zpracování, neúnosných nákladů, citlivosti na kyselá nebo zásaditá média a křehké konzistence. Grafen však těmito poklesky netrpí.

Reference