Højtydende terahertz-modulatorer induceret af substratfelt i Te-baserede all-2D heterojunctions

Højtydende aktive terahertz (THz) modulatorer er af stor betydning for næste generations kommunikationsteknologi. Men de lider i øjeblikket af afvejningen mellem modulationsdybde og hastighed.

Todimensionelle (2D) materialer med unikke fysiske egenskaber såsom stærke lys-stof-interaktioner, atomisk tynd profil og hurtig bærerekombination, kunne tilbyde en spændende platform til at undersøge optoelektroniske enheder i fundamental fysik. Derfor er det presserende at finde de gunstige 2D-materialer, der øger enhedens ydeevne.

Det nye mono-elementære 2D tellur (Te) er en spændende ny mulighed. Dette materiale, med en unik spiralformet kædestruktur, har lovende egenskaber, såsom et lagafhængigt båndgab, ekstraordinært høj transportørmobilitet, en stærk optisk respons og god luftstabilitet.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Application , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Qingli Zhou fra Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, og Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Theory and Technology, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Kina og kolleger har udviklet Te-baserede THz-modulatorer til succesfuldt at promovere enhedens ydeevne til de optimale og anvendelige niveauer blandt de eksisterende all-2D bredbåndsmodulatorer.

Forskerne fandt ud af, at te nanofilmene kan opnå høj modulationsdybde på et picosekund tidsskala og viser en ultrafølsom respons under lav pumpeexcitation. Kombineret med all-2D heterostrukturdesign og substratteknik kan parameteroptimeringen af ​​enheden realiseres. Derfor udviser deres fremstillede heterojunction med stablingsrækkefølgen af ​​Ge/Te den ultrahøje modulationsdybde og kortlivede bærerlevetid ledsaget af egenskaberne med lavt tab og bred båndbredde.

Yderligere fotoresponseksperimenter udviser den åbenlyse rektifikationseffekt i Ge/Te på grund af grænsefladebarrieren. For at udforske den observerede betydelige indvirkning af stablingsorden, beregnede holdet retningen af ​​det substrat-inducerede elektriske felt og afslørede dets usædvanlige interaktionsmekanisme i den fotoexciterede bærerdynamik forbundet med ladningsoverførslen og interlayer-exciton-rekombinationen.

Deres resultater kunne give en mere omfattende forståelse af den interne mekanisme for ultrahurtig ladningsoverførsel og excitondynamik i 2D-heterostrukturer, vejlede designet af heterogrænseflader og forestille sig en ny klasse af strømbesparende, højhastigheds-, lavt indsættelsestab og bredbånd afstembare THz fotoniske enheder.

De højtydende THz-modulatorer er centreret omkring Ten nanofilm og dens heterojunctions for at løse problemet med afvejningen mellem modulationsdybde og hastighed. Derudover har de fundet ud af, at stablerækkefølgen af ​​materialer har en åbenlys indflydelse på modulationsegenskaben. Beregningen og analysen tydeliggør, at det effektive felt af substratet konstruerer båndstrukturen af ​​den heterogene grænseflade gennem stablingsrækkefølgen, og dermed kan den optiske transiente adfærd reguleres.

"Vi introducerer 2D te nanofilm med den unikke struktur som en ny klasse af optisk styrede THz-modulatorer og demonstrerer, at deres integrerede heterojunctions med succes kan forbedre enhedens ydeevne til de optimale og anvendelige niveauer blandt de eksisterende all-2D bredbåndsmodulatorer.

"Yderligere fotoresponsmålinger bekræfter den betydelige indvirkning af stablingsrækkefølgen. Vi afklarer først retningen af ​​det substrat-inducerede elektriske felt gennem beregninger med de første principper og afdækker den usædvanlige interaktionsmekanisme i den fotoexciterede bærerdynamik forbundet med ladningsoverførslen og interlags exciton-rekombination .

"Vores opnåede resultater viser, at de Te-baserede all-2D vdW heterojunctions med substratteknik kan forbedre enhedens ydeevne bemærkelsesværdigt og åbne op for en ny idé til design, optimering og anvendelse af de optisk styrede højeffektive THz-modulatorer," siger forskerne.

"Vi mener, at resultaterne i dette arbejde ikke kun er af stor interesse på et grundlæggende niveau, men også giver vejledning til fremtidigt design og udvikling af højtydende THz-modulatorer baseret på funktionelle nanomaterialer," sagde forskerne.

Flere oplysninger: Pujing Zhang et al., Højtydende terahertz-modulatorer induceret af substratfelt i Te-baserede all-2D heterojunctions, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01393-6

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences