Графеновая линза

Графеновая линза — это оптическое преломляющее устройство. графена Уникальные двумерные соты способствуют его уникальным оптическим свойствам.

Графен

Сотовая структура позволяет электронам вести себя как безмассовые квазичастицы, известные как фермионы Дирака . графена Таким образом, свойствам оптической проводимости не препятствуют никакие параметры материала (представленные уравнением 1), где e — заряд электрона , h — постоянная Планка , а e ² / h представляет собой универсальную проводимость.

$\sigma _{\text{uni}}={\frac {(\pi )e^{2}}{2h}}$ (Уравнение 1)

• 
  Изображение запрещенной зоны графена до и после легирования (рис. 1а).
• 
  Представление запрещенной зоны обычных металлов и полупроводников (рис. 1b)

Такое поведение является результатом использования нелегированного графенового материала при нулевой температуре (рис. 1а). В отличие от традиционных полупроводников или металлов (рис. 1б); графена запрещенная зона практически отсутствует, поскольку проводящая и валентная зоны соприкасаются (рис. 1а). Однако запрещенную зону можно настраивать с помощью легирования и электрического управления , изменяя оптические свойства. Благодаря своей регулируемой проводимости графен подходит для различных оптических применений.

Приложения

Фотодетекторы

Электрическое стробирование и легирование позволяют регулировать оптическое поглощение графена . Приложение электрических полей, поперечных к расположенным в шахматном порядке бислоям графена, приводит к сдвигу энергии Ферми и искусственной ненулевой запрещенной зоне (уравнение 2, Рисунок 1).

Оптическая перестраиваемость графена при сильном электрическом стробировании

$\delta D=Dt-Db$ (Уравнение 2)

где

Dt = верхнее поле электрического смещения

Db = нижнее поле электрического смещения

Изменение δD выше или ниже нуля ( δD =0 обозначает незапираемые нейтральные бислои) позволяет электронам проходить через бислой без изменения запрещенной зоны, индуцированной стробированием. Изменение среднего поля смещения D изменяет спектры поглощения бислоя (как показано на рисунке 2). Оптическая перестраиваемость, возникающая в результате стробирования и электростатического легирования (также известного как легирование зарядовой плазмой). ) позволяет использовать графен в качестве сверхширокополосного фотоприемника в линзах.

Схема двухслойного графенового сверхширокополосного фотодетектора (рис. 3)

Чанг-Хуа и др. внедрил графен в инфракрасный фотодетектор, поместив изолирующий барьер из Та.
₂2О
₅ между двумя листами графена. Слои графена стали электрически изолированными, и средняя разница Ферми составила 0,12 эВ при прохождении тока 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.
₂2О
₅ барьер. В результате перехода горячих электронов верхний слой накапливает положительные заряды и вызывает фотозатвор. воздействие на нижний слой графена, которое измеряется как изменение тока, коррелирующее с обнаружением фотонов. Используя графен как канал для переноса заряда и поглощения света, фотодетекторы способны обнаруживать видимый и средний инфракрасный спектры. Нанометровые тонкие и функциональные при комнатной температуре графеновые фотодетекторы перспективны для применения в линзах.

Зонные пластины Френеля

Зонные пластинки Френеля — это устройства, фокусирующие свет в фиксированной точке пространства. Эти устройства концентрируют свет, отраженный от линзы, в особую точку (рис. 4). Зонные пластины Френеля, состоящие из серии дисков, центрированных вокруг начала координат, изготавливаются с использованием лазерных импульсов, которые создают пустоты в отражающей линзе.

Несмотря на свою слабую отражательную способность (R = 0,25π2 α 2 при T = 1,3 × 10 ⁻⁴ K ), графен можно использовать в качестве линзы для зонных пластинок Френеля. Графеновые линзы эффективно концентрируют свет с длиной волны ʎ = 850 нм в одну точку на расстоянии 120 мкм от зонной пластинки Френеля. (рисунок 5). Дальнейшие исследования показывают, что отраженная интенсивность увеличивается линейно с увеличением количества слоев графена внутри линзы. (рисунок 6).

Прозрачные проводники

Оптоэлектронные компоненты, такие как светодиодные (LED) дисплеи, солнечные элементы и сенсорные экраны, требуют высокопрозрачных материалов с низким сопротивлением поверхности , рупий . Для тонкой пленки поверхностное сопротивление определяется уравнением 3:

$R_{\text{s}}={\frac {t}{\sigma }}$ (Уравнение 3)

где t — толщина пленки, σ — проводимость постоянного тока .

Материал с настраиваемой толщиной t и проводимостью σ пригоден для оптоэлектронных приложений, если Rs достаточно мало. Графен является таким материалом; количество слоев графена, составляющих пленку, может регулировать t, а присущая графену возможность настройки оптических свойств с помощью легирования или решетки может регулировать сигма. На рисунке 7 показан потенциал графена по сравнению с другими известными прозрачными проводниками.

Потенциал графена по сравнению с другими известными прозрачными проводниками

Потребность в альтернативных прозрачных проводниках хорошо документирована. Прозрачные проводники на основе полупроводников, такие как легированные индия оксиды , оксиды цинка или оксиды олова , страдают от практических недостатков, включая строгие требования к обработке, непомерно высокую стоимость, чувствительность к Ph и хрупкую консистенцию. Однако графен не страдает от этих недостатков.