Двумерный монослой графена обладает не только уникальными электронными свойствами, такими как линейный закон дисперсии и высокая мобильность носителей заряда до 200000 см2/В×с, но и оптическими: монослой графена способен поглощать до 2% падающих фотонов в видимой и УФ областях спектра, а с увеличением числа слоев поглощение растет. При этом (для сравнения!) полупроводники А3В5 в широком диапазоне длин волн прозрачны. Уникальная комбинация оптических и электронных свойств графена позволяет создавать на его основе как новые поколения существующих устройств, так и устройства, которые раньше еще никто не видел.
Так, группа американских ученых создала супербыстрый фотодетектор на основе одно- и многослойного графена. При поглощении света в графене происходит генерация электрон-дырочных пар, которые в обычном состоянии рекомбинируют обратно в течение десятков пикосекунд в зависимости от качества слоя и концентрации носителей заряда, однако при приложении внешнего поля может произойти разделение носителей заряда и генерация фототока. Это же происходит и в присутствие "внутреннего поля", которое, как было ранее показано, образуется на поверхности развела металлического электрода и графена. За счет этого поля и обеспечивается работа детектора.
На Рис. 1а показаны СЭМ изображение устройства и оптическая фотография на вкладке. Число слоев первично оценивали оптически, а затем уточняли с помощью КР спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния). На Рис. 1b показана схема устройства. На Рис. 2 показан типичный зависимость тока как функции напряжения "сток-исток" при фиксированном напряжении затвора (при освещении и в темноте". Механизм генерации и сбора фотоносителей показан на Рис. 3a,b. Электронные пары появляются и разделяются при освещении области электрического поля. В случае незамкнутой схемы они разделяются за счет внутреннего поля, но не приводят к образованию тока. Вместо этого в области генерации зарядов возникает напряжение VOC (Рис. 3а). В случае замкнутой схемы возникает ток Iph=VOC/Rg, где Rg – сопротивление графена (Рис. 3b). В отличие от диодов Шоттки, которым из-за большого барьера металл-полупроводник-металл требуется большое напряжение, графеновая система, в которой такой барьер практически отсутствует, требует практически нулевого напряжения. Для генерации фототока во внешней схеме носители заряда должны покинуть область генерации до рекомбинации. Если предположить, что в сильном поле подвижность достигает 5.5×105м/с, для того, чтобы покинуть 200-нанометровую область фотогенерации, носителям заряда понадобится ~0.36 пс, таким образом, вероятность такого процесса довольно велика, что приводит к высокой внутренней эффективности (6–16%).
