用光激發石墨烯的難題解決了

光檢測和控制是許多現代設備應用的核心，例如你手機中的相機。使用石墨烯作為光檢測器的光敏材料相比於現在使用的材料可以提供顯著的改進。例如，石墨烯可以檢測幾乎任何顏色的光線，並且在百萬分之一秒內發出極快的電子響應。

因此，為了正確地設計基於石墨烯的光檢測器，了解在石墨烯吸收光之後發生的過程是至關重要的。

一個歐洲科學家組成的團隊已經成功地理解了這些過程。這些科學家們分別來自西班牙巴塞羅那的光子科學研究所（ICFO）、Genova的義大利技術研究所（IIT），英國Exeter的埃克塞特大學和來自德國美因茨的約翰內斯古騰堡大學。

最近在Science Advances上發表的論文（「The ultrafast dynamics and conductivity of photoexcited graphene at different Fermi energies」），他們的研究在論文中徹底解釋了為什麼在某些情況下石墨烯的電導率在光吸收後增加，而在其他情況下，則會下降。研究人員們表明，這種行為與從吸收的光能量流向石墨烯電子的方式相關：在石墨烯吸收光之後，石墨烯電子加熱的過程發生得非常快並且具有非常高的效率。

超快光泵浦-太赫茲探針實驗示意圖，實驗過程中光泵引起電子加熱，所述電子加熱過程後，太赫茲脈衝立即對石墨烯的電導率敏感，該過程發生的時間尺度快於百萬分之一秒。 （圖片來源：Fabien Vialla / ICFO）

對於高度摻雜的石墨烯（其中存在許多自由電子），超快電子加熱導致具有升高的能量的載流子 - 熱載流子 - 這反過來導致導電率降低。有趣的是，對於弱摻雜的石墨烯（其中不存在太多自由電子），電子加熱導致產生額外的自由電子，並因此導致電導率的增加。這些額外的載流子是石墨烯無間隙特性的直接結果 - 在帶隙材料中，電子加熱不會導致額外的自由載流子。

石墨烯中光致電子加熱的這種簡單情況可以解釋許多觀察到的效應。除了描述材料在光吸收之後的導電特性之外，它還可以解釋載流子倍增，在載流子倍增過程中 - 在特定條件下 - 一個被吸收光粒子（光子）可以間接產生多於一個額外的自由電子，從而在設備中產生一個有效光響應。

本論文的結果，特別是對電子加熱過程的準確理解，無疑意味著將大大促進基於石墨烯的光探測技術的設計和開發。

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