En hurtig lysdetektor lavet af todimensionelle materialer

To forskergrupper ved ETH Zürich er gået sammen om at udvikle en ny lysdetektor. Den består af todimensionale lag af forskellige materialer, der er koblet til en optisk bølgeleder i silicium. I fremtiden, denne tilgang kan også bruges til at lave LED'er og optiske modulatorer.

Hurtige og højeffektive modulatorer samt detektorer for lys er kernekomponenterne i datatransmission gennem fiberoptiske kabler. I de seneste år, disse byggeklodser til telekommunikation baseret på eksisterende optiske materialer er konstant blevet forbedret, men nu bliver det stadig sværere at opnå yderligere forbedringer. Det tager de kombinerede kræfter i forskellige specialiseringer, som to forskergrupper ved ETH Zürich nu har vist.

En gruppe videnskabsmænd ledet af professorerne Jürg Leuthold fra Instituttet for Elektromagnetiske Felter og Lukas Novotny fra Instituttet for Fotonik, sammen med kolleger ved National Institute for Material Science i Tsukuba (Japan), har udviklet en ekstremt hurtig og følsom lysdetektor baseret på samspillet mellem nye todimensionelle materialer og nanofotoniske optiske bølgeledere. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi .

Todimensionelle materialer

"I vores detektor ønskede vi at udnytte fordelene ved forskellige materialer og samtidig overvinde deres individuelle begrænsninger, " forklarer Nikolaus Flöry, en ph.d. elev i Novotnys gruppe. "Den bedste måde at gøre det på er at fremstille en slags kunstig krystal - også kendt som heterostruktur - ud fra forskellige lag, der hver især kun er nogle få atomer tykke. Desuden, Vi var interesserede i at vide, om al den sus om sådanne todimensionale materialer til praktiske anvendelser rent faktisk er berettiget. "

I todimensionelle materialer, såsom grafen, elektroner bevæger sig kun i et plan i stedet for tre rumlige dimensioner. Dette ændrer dybtgående deres transportegenskaber, for eksempel når en elektrisk spænding påføres. Selvom grafen ikke er det ideelle valg til optikapplikationer, forbindelser af overgangsmetaller såsom molybdæn eller wolfram og chalcogener såsom svovl eller tellur (forkortet TMDC) er meget lysfølsomme og, oven i købet, kan nemt kombineres med silicium optiske bølgeledere.

Samspil mellem forskellige tilgange

Ekspertisen til bølgeledere og højhastighedsoptoelektronik kom fra forskergruppen Jürg Leuthold. Ping Ma, gruppens seniorforsker, understreger, at det var samspillet mellem de to tilgange, der gjorde den nye detektor mulig:"Forståelsen af ​​både de todimensionelle materialer og de bølgeledere, hvorigennem lys føres ind i detektoren, var af fundamental betydning for vores succes. Sammen, vi indså, at todimensionelle materialer er særligt velegnede til at blive kombineret med siliciumbølgeledere. Vores gruppers specialiseringer komplementerede hinanden perfekt."

Forskerne skulle finde en måde at gøre de normalt ret langsomme TMDC-baserede detektorer hurtigere. På den anden side, Detektoren skulle være optimalt koblet til siliciumstrukturerne, der blev brugt som grænseflade uden at ofre dens højhastighedsydelse.

Hastighed gennem lodret struktur

"Vi løste hastighedsproblemet ved at realisere en lodret heterostruktur lavet af et TMDC - molybdænditellurid i vores tilfælde - og grafen, " siger Flöry. Til forskel fra konventionelle detektorer, på den måde behøver elektroner, der exciteres af indkommende lyspartikler, ikke først at finde vej gennem hovedparten af ​​materialet, før de måles. I stedet, det todimensionelle lag af TMDC sikrer, at elektroner kan forlade materialet på meget kort tid enten opad eller nedad.

Jo hurtigere de går, jo større er detektorens båndbredde. Båndbredden angiver med hvilken frekvens data, der er kodet i lysimpulser, kan modtages. "Vi havde håbet på at få et par gigahertz båndbredde med vores nye teknologi - i sidste ende, vi nåede faktisk 50 Gigahertz, "siger Flöry. Indtil nu, båndbredder på mindre end en Gigahertz var mulige med TMDC-baserede detektorer.

Optimal light coupling, på den anden side, was achieved by integrating the detector into a nano-photonic optical waveguide. A so-called evanescent wave, which laterally protrudes from the waveguide, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

der, they excite electrons that are eventually detected as a current. The integrated waveguide design ensures that enough light is absorbed in that process.

Technology with multiple possibilities

The ETH researchers are convinced that with this combination of waveguides and heterostructures they can make not just light detectors, but also other optical elements such as light modulators, LEDs and lasers. "The possibilities are almost limitless, " Flöry and Ma enthuse about their discovery. "We just picked out the photodetector as an example of what can be done with this technology."

I den nærmeste fremtid, the scientists want to use their findings and investigate other two-dimensional materials. About a hundred of them are known to date, which gives countless possible combinations for novel heterostructures. I øvrigt, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.