Junto com colegas internacionais, cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) acrescentaram outro componente importante para a compreensão do grafeno material; um material que atualmente está recebendo muita atenção:eles determinaram a vida útil dos elétrons no grafeno em faixas de energia mais baixas. Isso é de grande relevância para o desenvolvimento futuro de componentes eletrônicos e optoeletrônicos rápidos. Os resultados foram publicados recentemente na edição online da revista. Cartas de revisão física .

Após a descoberta do grafeno ter recebido o Prêmio Nobel de Física no ano passado, Muitas equipes de pesquisa em todo o mundo têm buscado compreender melhor as propriedades fundamentais do material para permitir aplicações eletrônicas e optoeletrônicas promissoras como transistores e detectores rápidos para transmissão óptica de dados. O grafeno - uma única camada de carbono que tem seus átomos dispostos em um hexágono como um favo de mel - também é muito interessante como material de eletrodo transparente para telas planas e células solares. De acordo com o pesquisador do HZDR, Dr. Stephan Winnerl, o grafeno pode substituir o escasso metal índio de alta tecnologia neste campo.

Com subsídios do Programa Prioritário "Grafeno" da Fundação Alemã de Pesquisa e fundos da União Europeia, Stephan Winnerl e seus colegas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) juntamente com cientistas da Technische Universität (TU) Berlin, o Laboratório de Alto Campo Magnético de Grenoble, e o Instituto de Tecnologia da Geórgia, EUA, conseguiu determinar o "tempo de vida" dos elétrons no grafeno em faixas de energia mais baixas que não haviam sido pesquisadas antes.

O comportamento característico dos elétrons em faixas de energia específicas normalmente encontradas em sólidos é uma das muitas propriedades físicas nas quais o grafeno é fundamentalmente diferente da maioria dos outros materiais:Normalmente, elétrons só podem adotar níveis de energia específicos (esses são chamados de bandas de energia), mas não outros (estes são chamados de lacunas de energia). Este princípio é usado, por exemplo, para componentes optoeletrônicos como diodos emissores de luz que emitem luz em comprimentos de onda muito específicos:isso libera energia que os elétrons liberam enquanto "pulam" lacunas de energia.

Mas o comportamento do grafeno difere de outros semicondutores:as faixas de energia se tocam sem o aparecimento de quaisquer lacunas. Em vez de emitir luz, o grafeno é capaz de absorver a radiação de energias mais baixas abaixo do espectro visível, como terahertz e luz infravermelha; portanto, tornando-o um excelente material para detectores.

Ser capaz de desenvolver componentes eletrônicos e optoeletrônicos rápidos baseados em grafeno, é preciso saber com precisão quanto tempo os elétrons permanecem em níveis de energia específicos. O exame de tais processos, que ocorrem na faixa de picossegundos, ou seja, a escala de tempo de um milionésimo de milionésimo de segundo, requer métodos de observação extremamente rápidos. A característica única dos experimentos conduzidos no Helmholtz-Zentrum em Dresden é a exposição das amostras de grafeno à luz que tinha comprimentos de onda mais longos do que nunca. Isso foi possível através dos curtos pulsos de radiação do laser de elétrons livres (FEL) do HZDR. Os pesquisadores foram, portanto, capaz de estudar a vida útil dos elétrons perto do ponto de contato das bandas de energia, que é a propriedade física única característica do grafeno.

O FEL excitou as amostras de grafeno com luz que tinha diferentes comprimentos de onda na faixa do infravermelho. Os pesquisadores descobriram que a energia das partículas de luz que excitam os elétrons, bem como as oscilações da rede atômica influenciam o tempo de vida dos elétrons:Se a energia das partículas de luz for maior do que a energia das oscilações da rede, então, os elétrons alterarão seu estado de energia mais rapidamente e terão uma vida útil mais curta. Por outro lado, os elétrons permanecerão mais tempo em um nível de energia específico se a energia de excitação for menor do que a energia das oscilações da rede.

As percepções obtidas com os experimentos são comprovadas por cálculos de modelo da TU Berlin. Esses cálculos permitem uma atribuição clara dos dados experimentais aos mecanismos físicos do grafeno. Os pesquisadores têm, portanto, fez uma contribuição valiosa para uma melhor compreensão das propriedades eletrônicas e ópticas do grafeno.