Fotocellula a base di grafene 25.09.2013

Tre gruppi di fisici contemporaneamente: dall'Austria, da Hong Kong e dagli USA hanno presentato prototipi di fotorivelatori basati sul grafene. Questi dispositivi convertono i segnali ottici a infrarossi in impulsi elettrici e l'efficienza dei fotorivelatori al grafene è superiore a quella di dispositivi simili di tipo tradizionale.

Tutti e tre gli sviluppi sono in qualche modo diversi l'uno dall'altro, ma utilizzano tutti la caratteristica chiave del grafene: la capacità di convertire quanti di luce con energie diverse in impulsi elettrici. I fotorivelatori tradizionali funzionano a causa del fatto che un quanto di luce trasferisce energia a un vettore di carica sufficiente per superare una barriera potenziale, un divario tra i livelli di energia in un semiconduttore, ma il grafene non è un semiconduttore "pieno" e non ha un tale chiamato gap di banda.

A causa dell'assenza di un gap di banda, i rivelatori di grafene sono stati in grado di registrare (nel caso dello sviluppo di un gruppo dell'Università cinese di Hong Kong) quanti di luce nella gamma del medio infrarosso, con una lunghezza d'onda da 1,55 a 2,75 micrometri . Gli autori affermano che il loro rivelatore è in grado di funzionare a temperatura ambiente, sebbene gli analoghi del germanio con sensibilità nella stessa gamma richiedano il raffreddamento con azoto liquido. Come spiega Nature News, il funzionamento a temperatura ambiente potrebbe facilitare l'identificazione delle sostanze chimiche nell'atmosfera e rendere gli studi biochimici più accessibili a fini diagnostici.

Un membro del gruppo americano, Dirk Englund, fisico del Massachusetts Institute of Technology, ha anche sottolineato che la velocità di trasferimento dei dati attraverso i fotorivelatori a base di grafene era di 12 gigabit al secondo, cioè si è rivelato essere paragonabile ai tradizionali dispositivi a semiconduttore . Secondo le sue previsioni, il rapido passaggio al grafene avverrà quando scienziati e tecnologi impareranno a sintetizzare questo materiale bidimensionale in quantità industriali con una qualità costantemente elevata: oggi questo è il principale ostacolo all'elettronica del grafene.

L'assenza di un gap di banda, spiega uno degli scienziati che hanno creato i nuovi rivelatori, Thomas Müller dell'Institute of Technology di Vienna, lo ha reso un materiale ideale per un dispositivo che converte gli impulsi infrarossi in impulsi elettrici.

Muller ha spiegato (e queste spiegazioni sono vere per tutti e tre i dispositivi descritti in Nature Photonics) che il grafene promette di essere più economico del germanio tradizionale e le operazioni con il grafene sono già state sufficientemente sviluppate a livello tecnologico. Il problema chiave che ha impedito in precedenza la creazione di fotorivelatori al grafene era la trasparenza del materiale: il grafene, che trasmette luce e radiazioni infrarosse, era poco adatto per un dispositivo la cui azione, per definizione, è associata all'assorbimento delle radiazioni. I primi campioni di rivelatori ottenuti nel 2009 e poi descritti in Nature Nanotechnology avevano un'efficienza molto bassa a causa della loro trasparenza, ed era impossibile parlare dell'applicazione pratica di tali dispositivi. Il problema è stato risolto solo ora: la corrente emessa dai rivelatori durante l'illuminazione non ha ancora raggiunto il valore tipico dei dispositivi al germanio, ma ha già superato di oltre 50 volte i risultati del 2009. Secondo tutti gli sviluppatori, il gap verrà presto colmato; inoltre, i nuovi rivelatori hanno già superato il germanio in altri parametri.

A causa della maggiore mobilità dei portatori di carica rispetto al silicio e a molti semiconduttori, il grafene è considerato un materiale promettente per i dispositivi elettronici. I suoi svantaggi includono l'assenza di un intervallo di banda nel grafene non modificato, nonché la complessità tecnologica nell'ottenere grandi fogli omogenei.