Ny forskning undersøger grafen-silicium-enheder til fotoniske applikationer

Hvis du bruger en smartphone, bærbar, eller tablet, så drager du fordel af forskning i fotonik, studiet af lys. På University of Delaware, et team ledet af Tingyi Gu, en adjunkt i el- og computerteknik, udvikler avanceret teknologi til fotoniske enheder, der kan muliggøre hurtigere kommunikation mellem enheder og dermed de mennesker, der bruger dem.

Forskningsgruppen konstruerede for nylig en silicium-grafen-enhed, der kan transmittere radiofrekvensbølger på mindre end et picosekund ved en sub-terahertz båndbredde-det er mange oplysninger, hurtig. Deres arbejde er beskrevet i et nyt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet ACS -anvendt elektronisk materiale .

"I dette arbejde, vi undersøgte båndbreddebegrænsningen for den grafenintegrerede siliciumfotonik til fremtidige optoelektroniske applikationer, "sagde kandidatstuderende Dun Mao, den første forfatter til papiret.

Silicium er en naturligt forekommende, rigeligt materiale, der almindeligvis bruges som halvleder i elektroniske enheder. Imidlertid, forskere har udtømt potentialet i enheder med kun halvledere lavet af silicium. Disse enheder er begrænset af siliciums bærermobilitet, den hastighed, hvormed en ladning bevæger sig gennem materialet, og indirekte bandgap, hvilket begrænser dets evne til at frigive og absorbere lys.

Nu, Gu's team kombinerer silicium med et materiale med mere gunstige egenskaber, 2-D-materialet grafen. 2-D materialer får deres navn, fordi de kun er et enkelt lag af atomer. Sammenlignet med silicium, grafen har bedre bærermobilitet og direkte båndgap og muliggør hurtigere elektronoverførsel og bedre elektriske og optiske egenskaber. Ved at kombinere silicium med grafen, forskere kan muligvis fortsat udnytte teknologier, der allerede bruges med silicium-enheder-de ville bare arbejde hurtigere med kombinationen silicium-grafen.

"Når man ser på materialegenskaberne, kan vi mere end hvad vi arbejder med? Det er det, vi vil finde ud af, sagde doktorand Thomas Kananen.

For at kombinere silicium med grafen, teamet brugte en metode, de udviklede og beskrev i et papir, der blev offentliggjort i 2018 i npj 2-D Materials and Application. Holdet placerede grafen på et særligt sted kendt som p-i-n-krydset, en grænseflade mellem materialerne. Ved at placere grafen ved p-i-n-krydset, teamet optimerede strukturen på en måde, der forbedrer enhedens lydhørhed og hastighed.

Denne metode er robust og kan let anvendes af andre forskere. Denne proces finder sted på en 12-tommers skive af tyndt materiale og anvender komponenter, der er mindre end en millimeter hver. Nogle komponenter blev fremstillet på et kommercielt støberi. Andet arbejde fandt sted i UD's Nanofabrication Facility, heraf Matt Doty, lektor i materialevidenskab og teknik, er direktøren.

"UD Nanofabrication Facility (UDNF) er en personalestøttet facilitet, der gør det muligt for brugere at fremstille enheder på længdeskalaer så små som 7 nm, hvilket er cirka 10, 000 gange mindre end diameteren på et menneskehår, "sagde Doty." UDNF, der åbnede i 2016, har muliggjort nye forskningsretninger inden for områder lige fra optoelektronik til biomedicin til plantevidenskab. "

Kombinationen af ​​silicium og grafen kan bruges som fotodetektor, som fornemmer lys og producerer strøm, med mere båndbredde og en lavere responstid end nuværende tilbud. Al denne forskning kan være op til billigere, hurtigere trådløse enheder i fremtiden. "Det kan gøre netværket stærkere, bedre og billigere, "sagde postdoktor og den første forfatter til npj 2-D Materials and Application-artiklen Tiantian Li." Det er et centralt punkt i fotonik. "

Nu overvejer teamet måder at udvide anvendelserne af dette materiale. "Vi ser på flere komponenter baseret på en lignende struktur, "sagde Gu.