Hauchdünn, stabiler als Stahl und vielseitig einsetzbar: das
Material Graphen hat zahlreiche interessante Eigenschaften. So ist es
derzeit der Star unter den elektrischen Leitern. Photodetektoren auf
Graphen-Basis können Lichtsignale oder auch elektrische Signale
extrem schnell verarbeiten und weiterleiten. So führt die optische
Anregung von Graphen in Pikosekunden (10-12 Sek) zur Entstehung eines
Photostroms. Bisher fehlte eine entsprechend schnelle Methode, um
Abläufe wie diese in Graphen nachweisen zu können. Professor
Alexander Holleitner und Dr. Leonhard Prechtel am Walter Schottky
Institut der Technischen Universität München (TUM) ist es nun
gelungen, die zeitliche Dynamik des Photostroms messbar zu machen.
Graphen wirkt auf den ersten Blick eher schlicht: das Material besteht
ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die in einem einschichtigen
„Teppich“ angeordnet sind. Doch für Wissenschaftler
ist unter anderem die extrem hohe Leitfähigkeit von Graphen
besonders reizvoll. Diese Eigenschaft ist unter anderem hilfreich
für die Entwicklung von Photodetektoren. Dabei handelt es sich um
Bauteile, die Strahlung detektieren und in elektrische Signale
umwandeln können.
Mit Hilfe des hoch leitfähigen Graphen arbeiten Wissenschaftler
daran, ultraschnelle Photodetektoren zu konstruieren. Allerdings war es
bisher nicht möglich, das optische und elektronische Verhalten von
Graphen zeitaufgelöst zu bestimmen. Das heißt zu
klären, wie lange es von der elektrischen Anregung des Graphen bis
zur Generierung des entsprechenden Photostroms dauert.
Dieser Frage widmeten sich Alexander Holleitner und Leonhard Prechtel
am Walter Schottky Institut der TU München, zugleich Mitglieder
des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Die Physiker
entwickelten zunächst eine Methode, mit der sie den durch
Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen entstehenden Photostrom in
Graphen-Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich hinein
untersuchen können. Damit können sie nun Pulse von einer
Länge von 10-12 Sekunden detektieren.
Kern der untersuchten Photodetektoren ist frei tragendes Graphen, das
über metallische Kontakte elektronisch in Schaltkreise eingebunden
ist. Die zeitliche Dynamik des Photostroms bestimmen die Physiker mit
Hilfe von sogenannten koplanaren Streifenleitungen, die sie über
ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren
auswerten, die Pump-Probe Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls
Elektronen im Graphen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit
einem zweiten Laser verfolgt. Auf diese Weise können die Physiker
genau nachvollziehen, wie der Photostrom im Graphen erzeugt wird.
Die neue Methode ermöglichte den Wissenschaftlern zeitgleich noch
eine weitere Beobachtung: Sie konnten belegen, dass Graphen nach
optischer Anregung Strahlung im Terahertz (THz)-Bereich aussendet. Die
Frequenz dieser Strahlung liegt zwischen dem Frequenzbereich von
Infrarotlicht und Mikrowellenstrahlung. Als Besonderheit besitzt
THz-Strahlung Eigenschaften beider angrenzender Bereiche: Sie
lässt sich bündeln wie Licht, und durchdringt Materie
ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Dadurch eignet sie sich
beispielsweise zur Materialprüfung, zum Durchleuchten von Paketen
oder für medizinische Anwendungen.
Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen
Forschungsgemeinschaft, dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative
Munich und des Center for NanoScience (CeNS). An der Publikation
wirkten außerdem Physiker der Universität Regensburg, der
Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich, der Rice
University und der Shinshu University mit.
Originalpublikation:
Time-resolved ultrafast photocurrents and terahertz generation in freely suspended graphene
Leonhard Prechtel, Li Song, Dieter Schuh, Pulickel Ajayan, Werner Wegscheider, Alexander W. Holleitner,
Nature Communications, 31. Januar 2012
Links: DOI: 10.1038/ncomms1656 – http://www.nature.com/ncomms/index.htmlWeitere Informationen unter
http://portal.mytum.de/
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