Dùng graphene phát hiện ánh sáng

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa tiết lộ một phương pháp mới sử dụng graphene để phát hiện ánh sáng. Xạ năng kế của đội hoạt động trong vùng hồng ngoại và mặc dù phiên bản đầu tiên của dụng cụ phải lam lạnh xuống đến một nhiệt độ rất thấp, nhưng những mẫu mới hơn sẽ hoạt động ở nhiệt độ phòng, theo đội nghiên cứu cho biết. Những dụng cụ này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa dạng, như màn quét an ninh ở sân bay, chụp ảnh y khoa và thiên văn học vô tuyến terahertz.

Những kế hoạch trước đây sử dụng graphene – mạnh lưới carbon hình tổ ong chỉ dày một nguyên tử - để phát hiện ánh sáng chủ yếu tập trung vào các hiệu ứng quang điện và nhiệt điện nhờ đó ánh sáng hoặc sự chênh lệch nhiệt độ được biến đổi thành tín hiệu điện. Trái lại, xạ năng kế là một thiết bị hấp thụ ánh sáng và biến nó thành nhiệt. Nhiệt lượng này ảnh hưởng đến điện trở của chất liệu hấp thụ, và cái được đo chính là sự biến thiên này.

Graphene có thể giữ một vai trò quan trọng trong các xạ năng kế trong tương lai vì nó có thể hấp thụ ánh sáng trên một ngưỡng rộng bước sóng. Ngưỡng này từ phần tử ngoại đến phần hồng ngoại của phổ điện từ, và nhất là phần hồng ngoại. Ngoài ra, các nhà vật lí biết rằng các electron trong graphene có thể kết hợp yếu với các dao động mạng (phonon) trong chất liệu. Điều này có nghĩa là khi những electron này hấp thụ ánh sáng, chúng nóng lên, nhưng các nguyên tử thì vẫn lạnh. “Điều này cho phép các electron trở nên nóng hơn nhiều so với nếu như chúng chỉ nhận nhiệt từ các phonon,” theo giải thích của Michael Fuhrer thuộc trường Đại học Maryland, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu dụng cụ mới trên.

Phần trên của hình thể hiện graphene lớp đôi nằm giữa hai điện cực cổng và gắn với hai điện cực bằng vàng. Ảnh chụp hiển vi (dưới) thể hiện xạ năng kế graphene hoàn chỉnh với thanh tỉ lệ dài 20 μm. (Ảnh: M Fuhrer)

Từ kim loại đến chất bán dẫn

Tuy nhiên, ở trạng thái bình thường của nó, điện trở của graphene hầu như độc lập với nhiệt độ - tính chất này không hữu ích cho lắm để chế tạo xạ năng kế. Fuhrer và các đồng sự đã khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng graphene lớp đôi trong dụng cụ của họ. Họ đã tạo ra hai cổng điện: một ở trên và một ở dưới lớp đôi đó. Những cổng này dùng để thiết lập một điện trường vuông góc với các lớp. Làm như vậy mở ra một dải khe nhỏ ở graphene, nhờ đó biến nó từ một kim loại thành chất bán dẫn. Graphene còn được nối với hai điện cực bằng vàng dùng để đo điện trở của nó.

“Graphene lớp đôi bán dẫn có điện trở phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và vì thế nó có ích cho một xạ năng kế tốt,” Fuhrer giải thích.

Phiên bản hiện nay của xạ năng kế trên chỉ hoạt động ở nhiệt độ khoảng 6 K, nên ban đầu nó có thể được dùng trong các ứng dụng cần có độ nhạy cao – ví dụ như thiên văn học vô tuyến sóng dưới millimet (terahertz) chẳng hạn. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện đang bận rộn phát triển một phiên bản mới của xạ năng kế graphene mà họ tin là sẽ hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Kết quả cao tần

Đội khoa học cũng có các kế hoạch cải tiến dụng cụ nhiệt độ thấp của mình. “Vấn đề chúng ta gặp phải là graphene lớp đôi chỉ hấp thụ vài phần trăm ánh sáng tới và chất liệu bán dẫn thì có điện trở cao, nên kết quả cao tần là khó có được,” Fuhrer giải thích. “Chúng tôi đang cố gắng cải tiến sự hấp thụ ánh sáng bằng cách khai thác sự cộng hưởng plasmon ở graphene và đồng thời khảo sát những cách làm giảm điện trở của dụng cụ, ví dụ như sử dụng các điện cực siêu dẫn.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com