Графеновая линза

Графен линза представляет собой оптическое устройство рефракции. Уникальные двухмерные соты графена вносят свой вклад в его уникальные оптические свойства.

Сотовая структура позволяет электронам вести себя как безмассовые квазичастицы, известные как фермионы Дирака . ^[1] Свойства оптической проводимости графена, таким образом, не зависят от каких-либо материальных параметров, как представлено уравнением 1, где e - заряд электрона , h - постоянная Планка, а «e ^ 2» / «h» представляет универсальную проводимость. ^[2]

Уравнение 1 [ править ]

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

Такое поведение является результатом нелегированного графенового материала при нулевой температуре (рис. 1а). ^[3] В отличие от традиционных полупроводников или металлов (рисунок 1b); Ширина запрещенной зоны графена практически отсутствует, потому что проводящая и валентная зоны контактируют (рис. 1а). Однако ширина запрещенной зоны регулируется с помощью легирования и электрического стробирования , изменяя оптические свойства. ^[4] Благодаря своей регулируемой проводимости графен подходит для различных оптических приложений.

Приложения [ править ]

Фотоприемники [ править ]

Электрическое стробирование и легирование позволяет регулировать оптическую поглощающую способность графена . ^{[5] [6]} Приложение электрических полей, поперечных к расположенным в шахматном порядке бислоям графена, генерирует сдвиг энергии Ферми и искусственную ненулевую запрещенную зону (уравнение 2 ^[7] рис. 1).

Оптическая перестраиваемость графена при сильном электрическом стробировании

Уравнение 2 [ править ]

 ${\ displaystyle \ delta D = Dt-Db}$

куда

Dt = верхнее электрическое поле смещения

Db = нижнее электрическое поле смещения

Изменение δD выше или ниже нуля (δD = 0 обозначает незакрытые нейтральные бислои) позволяет электронам проходить через бислой без изменения ширины запрещенной зоны, вызванной стробированием. ^[8] Как показано на рисунке 2, изменение среднего поля смещения, D, изменяет спектры поглощения бислоя. Оптическая перестраиваемость в результате стробирования и электростатического легирования (также известного как легирование зарядовой плазмой ^[9] ) позволяет использовать графен в качестве сверхширокополосного фотодетектора в линзах. ^[10]

Чанг-Хуа и др. реализовал графен в инфракрасном фотодетекторе, вставив изолирующий барьер из Та
₂О
₅между двумя листами графена. ^[11] Слои графена стали электрически изолированными и показали среднюю разность Ферми 0,12 эВ, когда ток проходил через нижний слой (рис. 3). Когда фотодетектор подвергается воздействию света, возбужденные горячие электроны переходят из верхнего слоя графена в нижний, чему способствует структурная асимметрия изолирующего слоя Ta
₂О
₅барьер. ^{[12] [13]} Как следствие перехода горячих электронов, верхний слой накапливает положительные заряды и вызывает эффект фотостирования ^{[14] [15]} на нижнем слое графена, который измеряется как изменение тока, коррелирующее с обнаружением фотонов. . ^[16] Используя графен как канал для переноса заряда и поглощения света, фотодетекторы умело обнаруживают видимый и средний инфракрасный спектр. Тонкие в нанометры и функциональные при комнатной температуре графеновые фотодетекторы перспективны для применения в линзах.

Пластины зоны Френеля [ править ]

Зональные пластины Френеля - это устройства, которые фокусируют свет на фиксированную точку в пространстве. Эти устройства концентрируют свет, отраженный линзой, в особой точке (рис. 4). Состоящие из серии дисков с центром в исходной точке , зонные пластинки Френеля изготавливаются с использованием лазерных импульсов, которые создают пустоты в отражающей линзе.

Несмотря на свой слабый коэффициент отражения (R = 0,25π2 α 2 при T = 1,3 · 10-4 K), графен может использоваться в качестве линзы для зонных пластинок Френеля. ^[17] Графеновые линзы эффективно концентрируют свет с = 850 нм в одной точке на расстоянии 120 мкм от зонной пластинки Френеля ^[18] (рис. 5). Дальнейшие исследования показывают, что отраженная интенсивность линейно увеличивается с количеством графеновых слоев в линзе ^[19] (рис. 6).

Прозрачные проводники [ править ]

Для оптоэлектронных компонентов, таких как светоизлучающие диодные (LED) дисплеи, солнечные элементы и сенсорные экраны, требуются высокопрозрачные материалы с низким сопротивлением листа , Rs. Для тонкой пленки сопротивление листа определяется уравнением 3:

Уравнение 3 [ править ]

 ${\ displaystyle R _ {\ text {s}} = {\ frac {t} {\ sigma}}}$ с t = толщина пленки ${\displaystyle \sigma ={d.c.conductivity}}$

Материал с регулируемой толщиной t и проводимостью σ подходит для оптоэлектронных приложений, если Rs достаточно мало. Графен - такой материал; количество графеновых слоев, составляющих пленку, может настраивать t, а внутренняя перестраиваемость оптических свойств графена посредством легирования или решетки может настраивать сигму. На рисунке 7 ^{[20] [21] [22]} показан потенциал графена относительно других известных прозрачных проводников.

Необходимость в альтернативных прозрачных проводниках хорошо задокументирована. ^{[23] [24] [25]} Полупроводниковая на основе прозрачных проводников , такие как легированный индий оксиды , оксиды цинка , или оксиды олова , страдают от практических крушений включая строгие требования к обработке, чрезмерно высокой стоимость, чувствительность к рНу и хрупкой консистенцию. Однако графен не страдает этими недостатками.

Ссылки [ править ]