Grafenfotodetektor forstærket af fraktal gyldent snefnug

(Phys.org)-Forskere har fundet ud af, at et snefnug-lignende fraktalt design, hvor det samme mønster gentages på mindre og mindre skalaer, kan øge grafens iboende lave optiske absorption. Resultaterne fører til grafenfotodetektorer med en stigning i størrelsesorden i fotovoltage, sammen med ultrahurtig lysregistrering og andre fordele.

Forskerne, fra Purdue University i Indiana, omfatte kandidatstuderende Jieran Fang og Di Wang, der blev vejledt af professorer Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, og Vlad Shalaev, sammen med deres samarbejdspartnere fra gruppen af ​​professor Yong P. Chen. Teamet har udgivet et papir om det nye grafenfotodetektorfraktaldesign i en nylig udgave af Nano bogstaver .

Fotodetektorer er enheder, der registrerer lys ved at omdanne fotoner til en elektrisk strøm. De har en lang række applikationer, herunder i røntgenteleskoper, trådløse mus, TV fjernbetjeninger, robotsensorer, og videokameraer. Nuværende fotodetektorer er ofte lavet af silicium, germanium, eller andre almindelige halvledere men for nylig har forskere undersøgt muligheden for at lave fotodetektorer ud af grafen.

Selvom grafen har mange lovende optiske og elektriske egenskaber, såsom uniform, ultra-bredbånd optisk absorption, sammen med ultrahurtig elektronhastighed, det faktum, at det kun er et enkelt atom tykt, giver det en iboende lav optisk absorption, hvilket er dens største ulempe ved brug i fotodetektorer.

For at imødegå grafens lave optiske absorption, forskerne i Purdue designede en grafenfotodetektor med guldkontakter i form af en snefnuglignende fraktal metasurface. De demonstrerede, at fraktalmønsteret gør et bedre stykke arbejde med at indsamle fotoner på tværs af en lang række frekvenser sammenlignet med en almindelig guldgrafenkant, gør det muligt for det nye design at generere 10 gange mere fotovoltage.

Den nye grafenfotodetektor har flere andre fordele, sådan at den er følsom over for lys i enhver polarisationsvinkel, hvilket er i modsætning til næsten alle andre plasmonforbedrede grafenfotodetektorer, hvor følsomheden er polarisationsafhængig. Den nye grafenfotodetektor er også bredbånd, forbedring af lysdetektering på tværs af hele det synlige spektrum. Ud over, på grund af grafens iboende hurtige elektronhastighed, den nye fotodetektor kan registrere lys meget hurtigt.

"I dette arbejde, vi har løst et vigtigt problem med at forbedre den iboende lave følsomhed i grafenfotodetektorer over et bredt spektralområde og på en polarisationsfølsom måde, ved hjælp af et intelligent selvlignende design af en plasmonisk fraktal metaoverflade, "Fortalte Wang Phys.org . "Så vidt vi ved, disse to attributter blev ikke opnået i tidligere rapporterede plasmonforbedrede grafenfotodetektorer. "

Forskerne forklarede, at disse egenskaber direkte kan tilskrives fraktalmønsteret.

"Vores foreslåede fraktale metasurface har den unikke evne til at understøtte plasmoniske resonanser (frie elektronoscillationer) over et bredt spektralområde på en polarisationsfølsom måde på grund af dens komplekse og stærkt sekskantet symmetriske geometri, "Sagde Kildishev." Tidligere rapporterede plasmonforbedrede grafenfotodetektorer bruger enklere smalbånds- og polarisationsfølsomme strukturer, og derfor er forbedringen også smalbåndet og polarisationsfølsom. "

Som tidligere forskning har vist, grunden til at et fraktalt mønster kan forbedre optisk absorption er, at fraktalmetasoverfladen skaber yderligere resonanser, med mængden af ​​resonans, der stiger, når antallet af fraktalniveauer stiger. Ud over, forskerne her fandt ud af, at fraktalmetasoverfladen begrænser og forstærker det elektriske felt i lyset, der rammer overfladen. Dette fører i sidste ende til en højere fotovoltage genereret i grafenfotodetektoren.

Som Kildishev forklarede mere detaljeret, der er to hovedmekanismer til inducering af fotovoltage i en grafenbaseret fotodetektor:den fotovoltaiske effekt og den fototermoelektriske effekt. Den fotovoltaiske effekt bruger det indbyggede elektriske felt induceret af forskelligt dopede områder i grafen til at adskille de optisk exciterede elektronhullepar i grafen. Den fototermoelektriske effekt driver de frie elektroner i grafen på tværs af regioner med forskellige termoelektriske kræfter (Seebeck -koefficienter), givet en temperaturgradient mellem de to regioner.

Fraktalmetasoverfladen forbedrer begge effekter i grafenfotodetektorer ved at øge intensiteten af ​​det elektriske felt og ved opvarmning via indfaldende lys i meget begrænsede rum.

"Fraktalmetasoverfladen forbedrer fotovoltagen ved at gøre brug af plasmonisk resonans - frie elektronoscillationer i guld under excitation af lys, "Sagde Kildishev." Dette begrænser derefter den elektromagnetiske energi til ultra-små mængder, generering af for store elektronhullepar i grafen, som derefter adskilles af den fotovoltaiske effekt. Det indfaldende lys opvarmer også den plasmoniske struktur for at skabe en stor temperaturgradient på tværs af metal/grafen -grænsefladen, giver anledning til en stærkere fototermoelektrisk reaktion. "

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge de potentielle anvendelser af grafenfotodetektorer, som kunne strække sig ud over fotodetektering til fotohøst, med applikationer som solceller og optisk opvarmning. Teknologier, der kræver et hurtigt svar, kan også opleve betydelige forbedringer på grund af grafenfotodetektorens hurtige driftshastighed.

"En stor egenskab ved den grafene fotovoltaiske/fototermoelektriske detektor er, at den reagerer på lys med en ekstremt hurtig hastighed, takket være den ultrahurtige elektronbevægelseshastighed (fotovoltaisk effekt) og den ultrakorte tid, elektronerne har brug for at afgive varme (fototermoelektrisk effekt) i grafen, "Wang sagde." Sådan reaktionshastighed er uden sidestykke af andre fotodetektionsmaterialer.

"Plasmonisk forbedring har været kendt for at ofre den ultrahurtige reaktionshastighed i mindre omfang. Derfor har plasmonforstærkede grafenfotodetektorer er lovende til all-optisk modulatorudlæsning og andre applikationer, hvor responshastighed er nøglen. I øvrigt, grafen har nul (eller afstemt) båndgap og ensartet optisk absorption i hele det elektromagnetiske spektrum. Derfor, grafenfotodetektorer kan i princippet bruges til at detektere lys af enhver frekvens med identisk følsomhed, som igen er uden sidestykke af andre detektorer fremstillet af andre fotodetektionsmaterialer. "

© 2017 Phys.org