„Fotoelektromagnetyczna metoda badania grafenu”

Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki

DEC-2012/05/B/ST7/01198

Realizowane cele

1. Wstępna charakteryzacja próbek grafenu (widmowe badania transmisji i odbicia optycznego, pomiar rezystancji i stałej Halla).
2. Pomiar sygnału PEM metodą bezkontaktową jako funkcji temperatury, energii fotonów, natężenia i częstotliwości modulacji oświetlenia próbek różniących się liczbą monowarstw oraz rodzajem podłoża.
3. Zbadanie wpływu różnych atmosfer gazowych na sygnały PEM.
4. Zbadanie wpływu efektu polowego na sygnały PEM.
5. Opis teoretyczny zjawiska PEM w grafenie z uwzględnieniem gorących nośników ładunku elektrycznego.
6. Opracowanie metody wyznaczania parametrów grafenu na podstawie porównania zależności teoretycznych z wynikami pomiarowymi.

 W ramach projektu po raz pierwszy przeprowadzono badania grafenu metodą fotoelektromagnetyczną (ang. photoelectromagnetic oznaczany skrótem PEM). Badania te wykonano metodą bezkontaktową w konfiguracji Corbino stosując dwie metodyki pomiarów: metodę indukcyjną oraz wykorzystując efekt  foto-magneto-mechaniczny. Podstawą obu metod jest fotogeneracja w grafenie nadmiarowych nośników ładunku (elektronów i dziur) pod wpływem punktowego oświetlenia promieniowaniem elektromagnetycznym (rys. 1). Tak powstałe nadmiarowe nośniki dyfundują we wszystkich kierunkach dwuwymiarowej próbki. W polu magnetycznym skierowanym prostopadle do warstwy grafenu dyfundujące nośniki ładunku są odchylane siłą Lorentza i  poruszają się wokół oświetlonego obszaru. Krążący prąd PEM wywołuje tzw. strumień magnetyczny . W przypadku amplitudowo modulowanego oświetlenia strumień magnetyczny PEM zmienia się w czasie i może wyindukować w odpowiednio umiejscowionej cewce pomiarowej mierzalny sygnał napięciowy (rys. 2). W drugim wariancie metodyki pomiarów stanowisko badawcze przypomina w istocie galwanometr zwierciadlany, w którym zamiast pętli z drutu jest badana próbka grafenu o momencie magnetycznym wywołanym zjawiskiem PEM (rys. 3). W zewnętrznym polu magnetycznym na próbkę tę działa moment sił skręcających , co może zostać zarejestrowane na odpowiedniej skali, na którą pada światło odbite od zwierciadła podwieszonego do badanej próbki. Efekt zamiany energii świetlnej w energię mechaniczną próbki obracającej się w zewnętrznym polu magnetycznym nosi nazwę zjawiska foto-magneto-mechanicznego.

Rys. 1.  Konfiguracja Corbino w jakiej badany był grafen metodą fotoelektromagnetyczną.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do badań zjawiska fotoelektromagnetycznego w grafenie metodą indukcyjną w warunkach modulowanego w czasie oświetlenia.

Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do badań efektu  foto-magneto-mechanicznego w grafenie (G – próbka grafenu, L1, L2 – lasery, N,S – nabiegunniki magnesu, M – zwierciadło, s – skala umożliwiająca odczyt kąta skręcenia próbki (w której płynie prąd fotoelektromagnetyczny) w polu magnetycznym).

 W projekcie sygnały PEM były rejestrowane w funkcji temperatury, energii fotonów, natężenia i częstotliwości oświetlenia dla próbek grafenu na różnych podłożach. Pomiary były wykonywane dla różnych zewnętrznych pól magnetycznych. Położenie poziomu energii Fermiego w badanych próbkach zmieniano poprzez efekt polowy. Sprawdzono również możliwość wpływu adsorpcji różnych gazów na położenie poziomu energii Fermiego w badanych próbkach. Opisano teoretycznie zjawisko PEM poszukując nieliniowych zależności rejestrowanego sygnału od zmiennych eksperymentalnych. Uzyskane wyniki wskazały na możliwość wykorzystania nieliniowej zależności momentu magnetycznego wywołanego zjawiskiem PEM od promienia obszaru oświetlanego próbki do wyznaczania wartości czasu życia i ruchliwości nośników ładunku poprzez dopasowanie odpowiedniej zależności teoretycznej do wyników doświadczalnych. Przedstawiona metoda powinna znaleźć zastosowanie w badaniach nie tylko grafenu lecz również innych materiałów 2D. Otrzymane wyniki zostały zaprezentowane na międzynarodowych konferencjach i zostały opublikowane w czasopismach naukowych.

Rys. 4. Stanowisko badawcze oraz głowica pomiarowa do badań efektu fotoelektromagnetycznego w grafenie bezkontaktową metodą indukcyjną w konfiguracji Corbino w zakresie temperatur od 10 K do 320 K.

Rys. 5. Stanowisko pomiarowe oraz głowica pomiarowa do wyznaczania rozkładu planarnego sygnału wywołanego efektem fotoelektromagnetycznym w grafenie w badaniach bezkontaktową metodą indukcyjną w konfiguracji Corbino w temperaturze pokojowej.

Rys. 6. Stanowisko pomiarowe do badań efektu  foto-magneto-mechanicznego w grafenie w konfiguracji Corbino (rys. 6a). Oświetlona laserem argonowym warstwa grafenu na podłożu PET zawieszona w zewnętrznym polu magnetycznym (rys. 6b) oraz kamera rejestrująca położenie wiązki drugiego promieniowania laserowego odbitej od zwierciadła podwieszonego do badanej próbki (rys. 6c).