Tendencias Científicas
Imagen tiempo-angular del efecto de fotoemisión en grafenos muy dopado (n-doped) y menos dopado (p-doped). En el primero, el efecto multiplicativo es mayor. Fuente: Nano Letters.
¿Podría el grafeno convertir la luz en electricidad? Los científicos han demostrado que el grafeno puede convertir un solo fotón en múltiples electrones, algo muy prometedor para futuros dispositivos fotovoltaicos.
El grafeno se ha convertido en un material muy popular en los últimos años, debido a su extraordinaria resistencia y a su poco peso. Puede ser generado despegándolo, literalmente, del grafito, o haciéndolo crecer en la parte superior de diversos materiales, lo cual hace que su producción sea rentable.
Los estudios han dado a entender que el grafeno también se puede utilizar como un material fotovoltaico, convirtiendo la luz en electricidad. Usando un método espectroscópico de vanguardia, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza) y sus colaboradores han demostrado que mediante la absorción de un único fotón, el grafeno puede generar múltiples electrones que tienen la energía suficiente para conducir una corriente eléctrica. El trabajo se publica en la revista Nano Letters.
Un material fascinante
El grafeno es fascinante en términos de la física fundamental, porque es mejor conductor de electricidad a temperatura ambiente que por ejemplo, el cobre, lo cual lo hace ideal para circuitos ultrarrápidos. Además, se ha demostrado que el grafeno conduce la electricidad después de absorber luz, lo que significa que también podría ser utilizado en dispositivos fotovoltaicos. Pero hasta ahora, el potencial del grafeno para la conversión eficiente de luz a electricidad no había sido bien entendida.
Esta es una tarea difícil, ya que la conversión se lleva a cabo en una escala de femto-segundos (una milbillonésima de segundo), demasiado rápido para las técnicas convencionales que detectan el movimiento de electrones. Para superar este obstáculo, Jens Christian Johannsen, del laboratorio de Marco Grioni de la EPFL, junto con colegas de la Universidad de Aarhus (Dinamarca) y de Elettra (sincrotrón de Trieste, Italia), empleó una sofisticada técnica llamada "espectroscopía de fotoemisión en tiempo-ultrarrápido y con resolución de ángulo" (trARPES). Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio Rutherford Appleton de Oxford (Inglaterra).
Con este método, una pequeña muestra de grafeno se coloca en una cámara de ultra-alto-vacío. El grafeno recibe luego el impacto de un pulso bombeado ultrarrápido de luz láser. Esto excita a los electrones del grafeno, y los "eleva" a mayores estados de energía en los que realmente puedan conducir una corriente eléctrica.
Mientras los electrones se encuentran en esos estados, la muestra de grafeno es golpeada con un pulso "sonda" retrasado en el tiempo que, literalmente, hace una foto de la energía que cada electrón tiene en ese momento. La secuencia se repite rápidamente en diferentes puntos de tiempo, como si fuera una película de animación, y captura la dinámica de los electrones en vivo.
El grafeno se ha convertido en un material muy popular en los últimos años, debido a su extraordinaria resistencia y a su poco peso. Puede ser generado despegándolo, literalmente, del grafito, o haciéndolo crecer en la parte superior de diversos materiales, lo cual hace que su producción sea rentable.
Los estudios han dado a entender que el grafeno también se puede utilizar como un material fotovoltaico, convirtiendo la luz en electricidad. Usando un método espectroscópico de vanguardia, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza) y sus colaboradores han demostrado que mediante la absorción de un único fotón, el grafeno puede generar múltiples electrones que tienen la energía suficiente para conducir una corriente eléctrica. El trabajo se publica en la revista Nano Letters.
Un material fascinante
El grafeno es fascinante en términos de la física fundamental, porque es mejor conductor de electricidad a temperatura ambiente que por ejemplo, el cobre, lo cual lo hace ideal para circuitos ultrarrápidos. Además, se ha demostrado que el grafeno conduce la electricidad después de absorber luz, lo que significa que también podría ser utilizado en dispositivos fotovoltaicos. Pero hasta ahora, el potencial del grafeno para la conversión eficiente de luz a electricidad no había sido bien entendida.
Esta es una tarea difícil, ya que la conversión se lleva a cabo en una escala de femto-segundos (una milbillonésima de segundo), demasiado rápido para las técnicas convencionales que detectan el movimiento de electrones. Para superar este obstáculo, Jens Christian Johannsen, del laboratorio de Marco Grioni de la EPFL, junto con colegas de la Universidad de Aarhus (Dinamarca) y de Elettra (sincrotrón de Trieste, Italia), empleó una sofisticada técnica llamada "espectroscopía de fotoemisión en tiempo-ultrarrápido y con resolución de ángulo" (trARPES). Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio Rutherford Appleton de Oxford (Inglaterra).
Con este método, una pequeña muestra de grafeno se coloca en una cámara de ultra-alto-vacío. El grafeno recibe luego el impacto de un pulso bombeado ultrarrápido de luz láser. Esto excita a los electrones del grafeno, y los "eleva" a mayores estados de energía en los que realmente puedan conducir una corriente eléctrica.
Mientras los electrones se encuentran en esos estados, la muestra de grafeno es golpeada con un pulso "sonda" retrasado en el tiempo que, literalmente, hace una foto de la energía que cada electrón tiene en ese momento. La secuencia se repite rápidamente en diferentes puntos de tiempo, como si fuera una película de animación, y captura la dinámica de los electrones en vivo.
Estructura del grafeno. Fuente: Wikimedia Commons.
Un fotón, muchos electrones
Los científicos utilizaron muestras de grafeno "dopadas", lo que significa que añadieron o quitaron electrones del mismo por medios químicos. El experimento reveló que, cuando el grafeno dopado absorbe un único fotón, esto puede excitar a varios electrones y hacerlo proporcionalmente al grado de dopaje.
El fotón excita a un electrón, que luego "cae" rápidamente de vuelta a su estado fundamental de energía. Al hacerlo, la "caída" excita a otros dos electrones de media, y forma un efecto en cadena. "Esto indica que un dispositivo fotovoltaico que utilice grafeno dopado podría mostrar una eficiencia significativa en convertir la luz en electricidad", explica Marco Grioni en la nota de prensa de la EPFL.
Los científicos han hecho la primera observación directa de este efecto multiplicativo, que convierte al grafeno en un bloque de construcción muy prometedor para cualquier dispositivo que se base en convertir la luz en electricidad. Por ejemplo, novedosos dispositivos fotovoltaicos que utilizaran grafeno podrían cosechar la energía de la luz en todo el espectro solar, con una pérdida de energía menor que los sistemas actuales.
Sobre la base de su tecnología de vanguardia y de su éxito experimental, los científicos planean ahora estudiar efectos similares en otros materiales bidimensionales, tales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), un material que ya es foco de atención por sus notables propiedades electrónicas y catalíticas.
Los científicos utilizaron muestras de grafeno "dopadas", lo que significa que añadieron o quitaron electrones del mismo por medios químicos. El experimento reveló que, cuando el grafeno dopado absorbe un único fotón, esto puede excitar a varios electrones y hacerlo proporcionalmente al grado de dopaje.
El fotón excita a un electrón, que luego "cae" rápidamente de vuelta a su estado fundamental de energía. Al hacerlo, la "caída" excita a otros dos electrones de media, y forma un efecto en cadena. "Esto indica que un dispositivo fotovoltaico que utilice grafeno dopado podría mostrar una eficiencia significativa en convertir la luz en electricidad", explica Marco Grioni en la nota de prensa de la EPFL.
Los científicos han hecho la primera observación directa de este efecto multiplicativo, que convierte al grafeno en un bloque de construcción muy prometedor para cualquier dispositivo que se base en convertir la luz en electricidad. Por ejemplo, novedosos dispositivos fotovoltaicos que utilizaran grafeno podrían cosechar la energía de la luz en todo el espectro solar, con una pérdida de energía menor que los sistemas actuales.
Sobre la base de su tecnología de vanguardia y de su éxito experimental, los científicos planean ahora estudiar efectos similares en otros materiales bidimensionales, tales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), un material que ya es foco de atención por sus notables propiedades electrónicas y catalíticas.
Referencia bibliográfica:
Jens Christian Johannsen, Søren Ulstrup, Alberto Crepaldi, Federico Cilento, Michele Zacchigna, Jill A. Miwa, Cephise Cacho, Richard T. Chapman, Emma Springate, Felix Fromm, Christian Raidel, Thomas Seyller, Phil D. C. King, Fulvio Parmigiani, Marco Grioni, y Philip Hofmann: Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene. Nano Letters (2014). DOI: 10.1021/nl503614v
Jens Christian Johannsen, Søren Ulstrup, Alberto Crepaldi, Federico Cilento, Michele Zacchigna, Jill A. Miwa, Cephise Cacho, Richard T. Chapman, Emma Springate, Felix Fromm, Christian Raidel, Thomas Seyller, Phil D. C. King, Fulvio Parmigiani, Marco Grioni, y Philip Hofmann: Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene. Nano Letters (2014). DOI: 10.1021/nl503614v
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