Grafen lins

En grafenlins är en optisk brytningsanordning. Grafens unika 2D- bikaka bidrar till dess unika optiska egenskaper.

Grafen

Bikakestrukturen tillåter elektroner att bete sig som masslösa kvasipartiklar som kallas Dirac-fermioner . Grafens optiska konduktivitetsegenskaper är således fria från materialparametrar, som representeras av ekvation 1, där e är elektronladdningen , h är Plancks konstant och e ² / h representerar den universella konduktansen.

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

Detta beteende är resultatet av ett odopat grafenmaterial vid noll temperatur (figur 1a). Till skillnad från traditionella halvledare eller metaller (figur 1b); grafens bandgap är nästan obefintlig eftersom de ledande och valensbanden kommer i kontakt (Figur 1a). Bandgapet är dock avstämbart via dopning och elektrisk grindning , vilket ändrar optiska egenskaper. Som ett resultat av sin avstämbara ledningsförmåga är grafen lämplig för olika optiska tillämpningar.

Ansökningar

Fotodetektorer

Elektrisk gating och doping möjliggör justering av grafens optiska absorptionsförmåga . Tillämpningen av elektriska fält tvärs över förskjutna grafenbilager genererar en förskjutning i Fermi-energi och ett artificiellt bandgap som inte är noll (ekvation 2, figur 1).

Optisk avstämning av grafen under stark elektrisk grind

$\delta D=Dt-Db$ (Ekvation 2)

var

Dt = övre elektriska förskjutningsfältet

Db = nedre elektriskt förskjutningsfält

Att variera δD över eller under noll (δD=0 betecknar icke-styrda, neutrala dubbelskikt) tillåter elektroner att passera genom dubbelskiktet utan att ändra det grindningsinducerade bandgapet. Såsom visas i figur 2, ändrar det genomsnittliga förskjutningsfältet, D, dubbelskiktets absorptionsspektra. Den optiska avstämningsförmågan till följd av gating och elektrostatisk dopning (även känd som laddplasma-dopning) gör det möjligt att använda grafen som en ultrabredbandsfotodetektor i linser.

Figur 3 Schematisk bild av ultrabredbandsfotodetektor i grafen med dubbla lager

Chang-Hua et al. implementerade grafen i en infraröd fotodetektor genom att lägga en isolerande barriär av Ta
₂ O
₅ mellan två grafenark. Grafenskikten blev elektriskt isolerade och uppvisade en genomsnittlig Fermi-skillnad på 0,12 eV när en ström passerade genom bottenskiktet (Figur 3). När fotodetektorn exponeras för ljus övergick exciterade heta elektroner från det översta grafenskiktet till botten, en process som främjas av den strukturella asymmetrin hos den isolerande Ta
₂ O
₅ -barriären. Som en konsekvens av den heta elektronövergången ackumulerar det översta lagret positiva laddningar och inducerar en fotograferande effekt på det nedre grafenlagret, vilket mäts som en förändring i ström som korrelerar med fotondetektion. Genom att använda grafen både som en kanal för laddningstransport och ljusabsorption, detekterar fotodetektorerna det synliga till mellaninfraröda spektrumet. Nanometer tunna och funktionella vid rumstemperatur, grafenfotodetektorer visar lovande i linsapplikationer.

Fresnel zonplattor

Fresnelzonplattor är enheter som fokuserar ljus på en fast punkt i rymden. Dessa enheter koncentrerar ljus som reflekteras från en lins till en enda punkt (Figur 4). Fresnel-zonplattorna består av en serie skivor centrerade kring ett ursprung och tillverkas med laserpulser som bäddar in tomrum i en reflekterande lins.

Trots sin svaga reflektans (R = 0,25π2 α 2 vid T = 1,3 × 10-4 K), är grafen användbar som lins för Fresnel-zonplattor. Grafenlinser koncentrerar effektivt ljus på ʎ = 850 nm till en enda punkt 120 um från Fresnel-zonplattan (figur 5). Ytterligare undersökning visar att den reflekterade intensiteten ökar linjärt med antalet grafenlager i linsen (Figur 6).

Transparenta ledare

Optoelektroniska komponenter som lysdiodskärmar (LED), solceller och pekskärmar kräver mycket transparenta material med lågt arkmotstånd , Rs. För en tunn film ges arkresistansen av ekvation 3:

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

där t är filmtjockleken och σ är DC-konduktiviteten.

Ett material med avstämbar tjocklek t och konduktivitet σ är lämpligt för optoelektroniska tillämpningar om Rs är rimligt liten. Grafen är ett sådant material; antalet grafenlager som utgör filmen kan stämma t och den inneboende tunerbarheten av grafens optiska egenskaper via dopning eller gitter kan stämma sigma. Figur 7 visar grafens potential i förhållande till andra kända transparenta ledare.

Grafens potential i förhållande till andra kända transparenta ledare

Behovet av alternativa transparenta ledare är väl dokumenterat. Halvledarbaserade transparenta ledare som dopade indiumoxider , zinkoxider eller tennoxider lider av praktiska nedgångar inklusive rigorösa bearbetningskrav, oöverkomliga kostnader, känslighet mot Ph och skör konsistens . Men grafen lider inte av dessa brister.