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)

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

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com