Grafen fototransistor lovende for optiske teknologier

Forskere har løst et problem, der hindrer udviklingen af ​​meget følsomme optiske enheder lavet af et materiale kaldet grafen, et fremskridt, der kunne bringe applikationer fra billedbehandling og skærme til sensorer og højhastighedskommunikation.

Grafen er et ekstremt tyndt lag kulstof, der er lovende for optoelektronik, og forskere forsøger at udvikle grafen-baserede fotodetektorer, enheder, der er kritiske for mange teknologier. Imidlertid, typiske fotodetektorer lavet af grafen har kun et lille område, der er følsomt over for lys, begrænse deres præstationer.

Nu, forskere har løst problemet ved at kombinere grafen med et relativt meget større siliciumcarbidsubstrat, skabe grafen felteffekt transistorer, eller GFET'er, som kan aktiveres af lys, sagde Yong Chen, en Purdue University professor i fysik og astronomi og elektrisk og computerteknik, og direktør for Purdue Quantum Center.

Højtydende fotodetektorer kan være nyttige til applikationer, herunder højhastighedskommunikation og ultrafølsomme kameraer til astrofysik, samt sanseapplikationer og bærbar elektronik. Arrays af grafen-baserede transistorer kan bringe høj opløsning billeddannelse og skærme.

"I de fleste kameraer har du brug for mange pixels, " sagde Igor Jovanovic, en professor i nuklear teknik og radiologiske videnskaber ved University of Michigan. "Imidlertid, vores tilgang kunne muliggøre et meget følsomt kamera, hvor du har relativt få pixels, men stadig har høj opløsning."

Nye resultater er beskrevet i et forskningspapir, der vises i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Arbejdet blev udført af forskere ved Purdue, University of Michigan og Pennsylvania State University.

"I typiske grafen-baserede fotodetektorer, der er demonstreret indtil videre, fotoresponsen kommer kun fra bestemte steder i nærheden af ​​grafen over et område, der er meget mindre end enhedens størrelse, " sagde Jovanovic. "Men, til mange optoelektroniske enhedsapplikationer, det er ønskeligt at opnå fotorespons og positionsfølsomhed over et meget større område."

Nye resultater viser, at enheden reagerer på lys, selv når siliciumcarbidet er belyst i afstande langt fra grafen. Ydeevnen kan øges med op til 10 gange afhængig af hvilken del af materialet der er oplyst. Den nye fototransistor er også "positionsfølsom, "det betyder, at det kan bestemme stedet, hvorfra lyset kommer, hvilket er vigtigt for billedbehandlingsapplikationer og for detektorer.

"Dette er første gang nogen har demonstreret brugen af ​​et lille stykke grafen på en stor wafer af siliciumcarbid for at opnå ikke-lokal fotodetektion, så lyset ikke behøver at ramme selve grafenet, " sagde Chen. "Her, lyset kan falde ind på et meget større område, næsten en millimeter, hvilket ikke er blevet gjort før."

En spænding påføres mellem bagsiden af ​​siliciumcarbiden og grafenen, opsætning af et elektrisk felt i siliciumcarbiden. Indkommende lys genererer "fotobærere" i siliciumcarbiden.

"Halvlederen leverer medierne, der interagerer med lys, " sagde Jovanovic. "Når lyset kommer ind, en del af enheden bliver ledende, og det ændrer det elektriske felt, der virker på grafen."

Denne ændring i det elektriske felt ændrer også selve grafens ledningsevne, som er opdaget. Fremgangsmåden kaldes felteffektfotodetektion.

Siliciumcarbiden er "udopet, "i modsætning til konventionelle halvledere i siliciumbaserede transistorer. At være udopet gør materialet til en isolator, medmindre det udsættes for lys, som midlertidigt får det til at blive delvist ledende, ændring af det elektriske felt på grafen.

"Dette er en nyhed i dette værk, " sagde Chen.

Forskningen er relateret til arbejdet med at udvikle nye grafen-baserede sensorer designet til at detektere stråling og blev finansieret med en fælles bevilling fra National Science Foundation og US Department of Homeland Security og en anden bevilling fra Defense Threat Reduction Agency.

"Dette papir handler om en sensor til at detektere fotoner, men principperne er de samme for andre typer stråling, " sagde Chen. "Vi bruger den følsomme grafentransistor til at detektere det ændrede elektriske felt forårsaget af fotoner, lys i dette tilfælde, interagerer med et siliciumcarbidsubstrat."

Lysdetektorer kan bruges i enheder kaldet scintillatorer, som bruges til at detektere stråling. Ioniserende stråling skaber korte lysglimt, som i scintillatorer detekteres af enheder kaldet fotomultiplikatorrør, en næsten århundrede gammel teknologi.

"Så der er stor interesse for at udvikle avancerede halvleder-baserede enheder, der kan opnå samme funktion, " sagde Jovanovic.

Papiret er forfattet af den tidligere Purdue postdoktorale forskningsmedarbejder Biddut K. Sarker; tidligere Penn State kandidatstuderende Edward Cazalas; Purdue kandidatstuderende Ting-Fung Chung; tidligere Purdue kandidatstuderende Isaac Childres; Jovanovic; og Chen.

Forskerne forklarede også deres resultater med en beregningsmodel. Transistorerne blev fremstillet på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.

Future research will include work to explore applications such as scintillators, imaging technologies for astrophysics and sensors for high-energy radiation.