Los detectores de luz normalmente se fabrican utilizando semiconductores III-V—materiales hechos de múltiples elementos tales como el galio y el fósforo. Cuando la luz alcanza estos materiales, cada fotón absorbido crea un par electrón-agujero, y los electrones se envían fuera del material produciendo así una corriente eléctrica.
El grafeno—una lámina de átomos de carbono vinculados entre sí en una estructura parecida a un panal—transporta los electrones decenas de veces más rápidamente que los semiconductores III-V. Eso significa que los fotodetectores de grafeno podrían funcionar a frecuencias extremadamente altas, haciéndolos altamente eficientes para detectar luz y transportar los electrones resultantes a circuitos exte os. El material también absorbe las longitudes de onda que van desde lo visible al infrarrojo, mientras que las finas capas de semiconductores III-V no absorben muchas de las frecuencias infrarrojas.
El grafeno ya ha sido utilizado para construir varios tipos de transistores, incluyendo los dispositivos de radio-frecuencia ultra alta. Estas láminas, del grosor de un átomo y altamente conductivas, también podrían acabar reemplazando al quebradizo óxido de indio estaño como material de electrodo en las pantallas planas y las finas células solares. Hay también quienes consideran el uso del grafeno para la creación de electrodos ultracondensadores y para memorias de ordenador densas y súper rápidas.
Aún así, y a pesar de todas estas aplicaciones electrónicas, muchos expertos consideran que el grafeno no es ideal para su uso en dispositivos ópticos. Esto se debe a que los electrones y agujeros generados por los fotones entrantes normalmente se combinan en el grafeno en decenas de picosegundos, sin dejar electrones libres para la corriente. Esto también ocurre en el metal. No obstante, la velocidad con la que las partículas cargadas viaja en el grafeno es esencial, afirma Phaedon Avouris, director de ciencia y tecnología a escala nanométrica en el Centro de Investigación T.J. Watson de IBM, así como investigador jefe del proyecto, que se describe en un estudio publicado online en Nature Nanotechnology. “Si tenemos algún tipo de campo eléctrico para separar los pares electrón-agujero, podemos recolectarlos lo suficientemente rápido [como para generar corriente].”
Se sabe que cuando los contactos de metal se depositan sobre el grafeno, se generan campos eléctricos en el punto de contacto entre los dos materiales. Por tanto, los investigadores decidieron sacar partido a este campo. Su dispositivo es una pieza de grafeno multi-capas con contactos de metal encima. Cuando hacen brillar una luz cerca del contacto, el campo separa los electrones y los agujeros, y se genera una corriente.
nUna sola lámina de grafeno absorbe un 2,3 por ciento de la luz que recae sobre ella, una cantidad significativa para un material con un átomo de ancho. “Tienes un fotodetector que posee una serie de ventajas: absorbe un amplio rango de longitud de onda, es muy rápido, tiene una gran absorción, es una capa de un sólo átomo,” afirma Avouris. “Esta combinación hace que sea bastante único.”
Los fotodetectores ultrarrápidos podrían utilizarse en las futuras redes de comunicaciones ópticas con cuotas de datos más allá de los 40 gigabits por segundo; ahora mismo, las redes ópticas tienen cuotas de datos de alrededor de 10 gigabits por segundo. Los fotodetetores podrían utilizarse en ordenadores ópticos que computen con electrones pero que transfieran los datos utilizando luz en vez de enviarlos a través de cables de cobre con tendencia a calentarse. Fengnian Xia, coautor del estudio, afirma que el grafeno también sería un mejor detector de radiación de terahercios, que por ahora ha resultado muy prometedora dentro del campo de la obtención de imágenes médicas y de seguridad.
“El grafeno es un material estupendo para la electrónica,” afirma Andre Geim, profesor de física en la Universidad de Manchester, Reino Unido. “Muy poca gente podría haber pensado que la optoelectrónica tuviera ningún tipo de interés con este material. Esto es como una bocanada de aire fresco.”
Los investigadores obtienen una corriente eléctrica como respuesta a los pulsos de luz a frecuencias de 40 gigahercios. Las frecuencias más altas no son posibles con los componentes electrónicos de hoy día, afirma Avouris, aunque el grafeno podría, en teoría, permitir la creación de fotodetectores que funcionasen en frecuencias incluso más altas que los 0,5 terahercios.