Grafen giver et enormt løft til fremtidige terahertz-kameraer

I en nylig undersøgelse, forskere udviklede en ny grafenaktiveret fotodetektor, der fungerer ved stuetemperatur, er meget følsom, hurtig, har et bredt dynamisk område, og dækker et bredt område af THz-frekvenser. Forskerne har opnået en solid forståelse af, hvordan PTE-effekten giver anledning til en THz-induceret fotorespons, hvilket er værdifuldt for yderligere detektoroptimering.

Detektering af terahertz (THz) lys er yderst nyttig af to hovedårsager:For det første, THz-teknologi er ved at blive et nøgleelement i applikationer vedrørende sikkerhed (såsom lufthavnsscannere), trådløs datakommunikation og kvalitetskontrol, for blot at nævne nogle få. Imidlertid, aktuelle THz-detektorer har begrænsninger, herunder samtidig opfyldelse af kravene til følsomhed, hastighed, spektralområde, og arbejder ved stuetemperatur. Sekund, terahertz lys er en meget sikker type stråling på grund af dets lavenergifotoner, med mere end 100 gange lavere energi end fotoner i det synlige lysområde.

Grafenbaserede materialer er nyttige til at detektere lys. Grafen har ikke et båndgab, sammenlignet med standardmaterialer, der anvendes til fotodetektion, såsom silicium. Båndgabet i silicium forhindrer absorption, og dermed opdagelse, indfaldende lys med bølgelængder længere end en mikron. I modsætning, til grafen, selv terahertz-lys med en bølgelængde på hundredvis af mikron kan absorberes og detekteres. Hz-detektorer baseret på grafen har vist lovende resultater, men ingen er endnu så effektive som kommercielt tilgængelige detektorer med hensyn til hastighed og følsomhed.

I en nylig undersøgelse, ICFO-forskere Sebastián Castilla og Dr. Bernat Terres, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Frank Koppens og tidligere ICFO-forsker Dr. Klaas-Jan Tielrooij, og et internationalt samarbejde mellem forskere, har været i stand til at overvinde disse udfordringer. De har udviklet en ny grafen-aktiveret fotodetektor, der fungerer ved stuetemperatur, og er meget følsom, hurtig, har et bredt dynamisk område, og dækker et bredt område af THz-frekvenser.

I deres eksperiment, forskerne optimerede fotoresponsmekanismen i en THz-fotodetektor. De integrerede en dipolantenne i detektoren for at koncentrere det indfaldende THz-lys omkring antennegabet-området. Ved at fremstille et 100 nanometers antennegab, de var i stand til at opnå en stor intensitetskoncentration af THz indfaldende lys i det fotoaktive område af grafenkanalen. De observerede, at lyset, der absorberes af grafen, skaber varme bærere ved et pn-kryds i grafen; efterfølgende, de ulige Seebeck-koefficienter i p- og n-regionerne producerer en lokal spænding og en strøm gennem enheden, hvilket genererer en meget stor fotorespons, fører således til en meget følsom, højhastighedsresponsdetektor med et bredt dynamisk område og en bred spektral dækning.

Resultaterne af denne undersøgelse kunne bidrage til udviklingen af ​​et fuldt digitalt lavpriskamerasystem lige så billigt som kameraet inde i smartphonen, da en sådan detektor har et meget lavt strømforbrug og er fuldt ud kompatibel med CMOS-teknologi.