Nanoskala fotodetektor viser løfte om at forbedre kapaciteten af ​​fotoniske kredsløb

Fotoniske kredsløb, som bruger lys til at transmittere signaler, er markant hurtigere end elektroniske kredsløb. Desværre, de er også større. Det er svært at lokalisere synligt lys under dets diffraktionsgrænse, omkring 200-300 nanometer, og da komponenter i elektroniske halvledere er skrumpet til nanometerskalaen, den fotoniske kredsløbsstørrelsesbegrænsning har givet elektroniske kredsløb en betydelig fordel, trods hastighedsforskellene.

Nu har forskere ved University of Rochester demonstreret en vigtig præstation i at krympe fotoniske enheder under diffraktionsgrænsen - et nødvendigt skridt på vejen til at gøre fotoniske kredsløb konkurrencedygtige med nutidens teknologi. Forskerne udviklede en fotodetektor i nanoskala, der bruger det almindelige materiale molybdændisulfid til at detektere optiske plasmoner - der bevæger oscillationer af elektroner under diffraktionsgrænsen - og demonstrerede med succes, at lys kan drive en strøm ved hjælp af en sølv nanotråd.

"Vores enheder er et skridt mod miniaturisering under diffraktionsgrænsen, " sagde Kenneth Goodfellow, en kandidatstuderende i laboratoriet i Quantum Optoelectronics and Optical Metrology Group, Institut for Optik, University of Rochester, New York. "Det er et skridt hen imod at bruge lys til at køre, eller, i det mindste supplere elektroniske kredsløb for hurtigere informationsoverførsel."

Holdet vil præsentere deres arbejde på Frontiers in Optics, Optical Societys årlige møde og konference i San Jose, Californien, USA, den 22. oktober 2015.

Enheden udvider tidligere arbejde, der viser, at lys kunne transmitteres langs en sølv nanotråd som en plasmon og genudsendes i den anden ende, som var dækket med atomisk tynde flager af molybdændisulfid (MoS2). Når den genudsendes, lyset svarede til båndgabet af MoS2, snarere end udelukkende til laserens bølgelængde, demonstrerer, at plasmonerne effektivt skubbede elektronerne i MoS2 ind i en anden energitilstand.

"Den naturlige næste idé ville være at se, om denne type enhed ville være i stand til at blive brugt som en fotodetektor, " sagde Goodfellow.

At gøre dette, gruppen overførte en sølv nanotråd belagt i den ene ende med MoS2 til et siliciumsubstrat og afsatte metalkontakter på den samme ende med elektronstrålelitografi. De sluttede derefter enheden til udstyr for at kontrollere dens skævhed, eller fast, spænding og måle den strøm, der løber gennem den.

Da den afdækkede ende af ledningen blev udsat for en laser, energien blev omdannet til plasmoner, en form for elektromagnetisk bølge, der bevæger sig gennem oscillationer i elektrontæthed. Denne energi exciterede elektronisk en elektron, når den nåede den molybdændisulfid-dækkede ende, effektivt at generere en strøm.

Ved at scanne ledningen bit-for-bit med en laser - en proces kendt som rasterscanning - var forskerne i stand til at måle strøm på hvert punkt langs ledningen, fandt ud af, at den var følsom over for polariseringen af ​​det indkommende lys og var på sit stærkeste, når lyset var polariseret parallelt med ledningen. De fandt også ud af, at enheden var følsom over for laserens excitationsbølgelængde, og ydeevne var begrænset ved kortere bølgelængder på grund af ineffektiv plasmonudbredelse og ved længere bølgelængder på grund af båndgabet af molybdændisulfid.

"Fulde fotoniske kredsløb er et stykke tid ude i fremtiden, men dette arbejde er med til at fodre den nuværende indsats, " sagde Goodfellow.

Fremtidigt arbejde for gruppen omfatter reduktion af potentiel kontaminering i enhedssamling ved at gå over til en fuldstændig tør overførsel af ledninger og MoS2 til præfabrikerede elektroder, samt at få bedre kontrol over MoS2-dopingprocessen for at tilføje yderligere ladningsbærere og forbedre enhedens effektivitet.