Исследователи разрабатывают новый высокочувствительный и быстрый графеновый фотоприемник

Исследовательская работа, опубликованная в Nano Letters объясняет продвижение детектора на основе графена для терагерцового света, который является более чувствительным и быстрым по сравнению с современными технологиями комнатной температуры.

(слева) Схематическое изображение центральной части ТГц фотоприемного устройства на основе графена, содержащего канал с графеном, инкапсулированным в hBN, на вершине узкой антенной структуры. При подаче различных напряжений к левой и правой ветвям антенны в канале графена создается pn-переход с неравными коэффициентами Зеебека слева и справа от перехода. Падающий свет фокусируется антенной над зазором, где генерируется фотоответ. (Справа) Измерение ТГц фокусировки, полученное путем сканирования ТГц детектора в плоскости фокуса. Наблюдение за несколькими кольцами рисунка Эйри свидетельствует о высокой чувствительности детектора. (Фото: ICFO)

Очень полезно обнаружить терагерцовый (ТГц) свет по двум основным причинам. Во-первых, технология ТГц оказывается жизненно важным компонентом в приложениях, касающихся беспроводной передачи данных, безопасности (например, сканеры в аэропортах) и контроля качества. Однако существующие ТГц детекторы имеют строгие ограничения, когда речь идет об одновременном выполнении требований скорости, чувствительности, способности работать при комнатной температуре, спектральном диапазоне и т. Д.

Во-вторых, низкоэнергетические фотоны делают его очень безопасным типом излучения с более чем в сто раз меньшей энергией по сравнению с фотонами в диапазоне видимого света.

Несколько приложений на основе графена, вероятно, станут известны благодаря его использованию в качестве материала для обнаружения света. По сравнению со стандартными материалами, используемыми для фотодетектирования, такими как кремний, графен имеет свойство не иметь запрещенной зоны. Из-за запрещенной зоны в кремнии падающий свет с длиной волны более одного микрона не поглощается и, следовательно, не обнаруживается.

Наоборот, графен может поглощать и обнаруживать даже терагерцовый свет с длиной волны в сотни микрон. ТГц детекторы на основе графена до сих пор дают многообещающие результаты; однако, ни один из детекторов на сегодняшний день не может победить коммерчески доступные детекторы, когда речь заходит о чувствительности и скорости.

В недавнем исследовании ученые ICFO Себастьян Кастилья и доктор Бернат Террес, возглавляемые профессором ICREA в ICFO Фрэнком Коппенсом и бывшим исследователем ICFO доктором Клаасом-Яном Тиелрой (ныне младшим руководителем группы в ICN2), вместе с исследователями из CIC NanoGUNE NEST (CNR), Нанкинский университет, Международный физический центр Donostia, Университет Янины и Национальный институт материаловедения сумели решить эти проблемы. Они создали новый фотоприемник на основе графена, который работает при комнатной температуре, очень быстрый и высокочувствительный, имеет широкий динамический диапазон и включает в себя широкий диапазон частот ТГц.

В своем эксперименте исследователи могли оптимизировать механизм фотоотклика ТГц фотоприемника, используя нижеприведенную стратегию. Они включили дипольную антенну в детектор, чтобы сфокусировать падающий ТГц свет вокруг области зазора антенны. Сделав чрезвычайно маленький (100 нм, примерно в тысячу раз меньший, чем толщина волоса) антенный зазор, они смогли получить большую интенсивность падающего света ТГц в фотоактивной области графенового канала.

Они заметили, что свет, поглощенный графеном, образует горячие носители на pn-переходе в графене; затем неравномерные коэффициенты Зеебека в областях p и n создают локальное напряжение и ток через устройство, создающее очень большой фотоответ, что приводит к очень высокочувствительному высокоскоростному детектору с широким динамическим диапазоном и широким спектральным диапазоном. покрытие.

Результаты этого исследования проложили путь к разработке полностью цифровой недорогой системы камер. Это может быть столь же экономично, как камера внутри смартфона, потому что такой детектор продемонстрировал чрезвычайно низкое энергопотребление и полностью совместим с технологией CMOS.

Это исследование было профинансировано фондом Cellex, флагманом Graphene, а также грантом Mineco Young Investigator.

Source link