Forbedring af ultrabredbåndsfotodetektion med en enhed baseret på snoet dobbeltlagsgrafen

Hyperspektral billeddannelse bruger hele lysspektret til at give detaljeret indsigt i naturen og dens adfærd. Disse indsigter åbner et område for mange applikationer, herunder autonom kørsel, miljøovervågning, sundhedspleje, rumudforskning eller endda landbrug og fødevareforarbejdning.

Billeddannelse fra det infrarøde til terahertz-regimet udgør en teknologisk udfordring, fordi det kræver enheder, der er effektive og følsomme nok over hele spektrets rækkevidde.

Indtil videre er de eneste, der delvist lever op til forventningerne, fotolederarrays baseret på kviksølv-cadmiumtellurid-elementer. Selvom dette er den mest egnede teknologi, der er tilgængelig i øjeblikket, er deres ydeevneeffektivitet til at detektere lys ikke særlig bredbåndsmæssig, fordi de har tendens til at være effektive absorbere for visse bølgelængder, men yder dårligere for andre, og de har simpelthen ikke evnerne til at detektere de længste bølgelængder af lys i terahertz-regimet, som bliver mere og mere relevant for teknologien.

Som Frank Koppens, tilsvarende forfatter til undersøgelsen, nævner:"Vridning af todimensionelle materialer såsom grafen har revolutioneret området for kvantematerialer, drevet af opdagelsen af ​​ukonventionel superledning. Men for nylig har vi også været i stand til at se, at det er en platform til en bred vifte af applikationer på grund af dens unikke og meget justerbare egenskaber."

Derfor har dobbeltlagsgrafen (BLG) i de seneste år vist sig at være en imponerende fotodetektor, når den er forspændt med eksterne elektriske felter, selvom lysabsorptionen på grund af dens 2D-natur er ret begrænset. Interessant nok er BLG kompatibel med den eksisterende siliciumteknologi, et must for at blive introduceret på markedet.

Behovet for at anvende elektrisk felt udgør imidlertid enorme vanskeligheder med at opskalere fremstillingen i tre dimensioner, hvilket ville være nødvendigt for at overvinde problemet med lav absorption af BLG.

En ny enhed

Twisted "double" tolayer graphene devices (TDBG) er på den anden side dukket op som et unikt materiale, der kan undgå disse restriktioner. TDBG er lavet af to tolags grafenstabler roteret eller snoet af en stor vinkel (15 grader), som for nylig har vist sig at skabe deres eget iboende elektriske felt uden behov for ekstra elektroder, der komplicerer fremstillingen i tilfælde af BLG.

Dette har åbnet muligheder for bredbåndsdetektion i et skalerbart system, men indtil nu er lysdetektionskapaciteterne i TDBG ikke blevet testet.

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Photonics , rapporterer forskere om udviklingen af ​​en ny TDBG ultrabredbåndsfotodetektor, der er i stand til at detektere lys meget effektivt i et spektralområde, der spænder fra langt-terahertz (100 μm bølgelængde, svarende til 3 THz) hele vejen til nær-infrarød (2) μm bølgelængde eller 150 THz) og med en god kontinuerlig effektivitet i hele området, uden huller.

ICFO-forskerne Hitesh Agarwal &Krystian Nowakowski, blev ledet af postdoc-forskeren Dr. Roshan Krishna Kumar og ICREA Prof. ved ICFO Frank Koppens. De arbejdede i samarbejde med ICREA prof. Adrian Bachtolds gruppe på ICFO, gruppen af ​​prof. Giacomo Scalari fra ETH Zürich og forskere ved University of Manchester, NIMS i Japan og CNRS i Frankrig.

Ultrabredbåndsfotodetektoren har vist sig at have en god intern kvanteeffektivitet, en forbedring af fotokonduktivitet ved hjælp af interlayer screening og skalerbarhed af TDBG, fordi der ikke er behov for porte for at påføre det elektriske felt for at få det elektroniske båndgab.

I deres eksperiment gennemførte forskerne en grundig og forståelig undersøgelse af fotorespons i TDBG. De fremstillede flere enheder af TDBG og studerede deres fotokonduktivitet, dvs. hvordan deres elektriske modstand ændres under belysning.

Som første medforfatter Krystian Nowakowski kommenterer, "opstod ideen om dette eksperiment efter at have læst en undersøgelse, hvor forskere havde fundet et lille elektronisk båndgab i snoet dobbelt dobbeltlagsgrafen (TDBG) uden behov for at anvende et eksternt elektrisk felt, dvs. normalt nødvendigt for at åbne et elektronisk båndgab i den almindelige stak af tolagsgrafen (BLG)."

"Tilstedeværelsen af ​​et båndgab gør tolagsgrafen til en god detektor for lys, men behovet for at anvende eksternt elektrisk felt er en barriere for applikationer på grund af kompleksiteten i at opskalere fremstillingen til industrielle applikationer." Efter at have undersøgt litteraturen, så de, at ingen nogensinde havde testet dette med "dobbelt" BLG eller TDBG.

Så holdet satte alle deres anstrengelser i fuld gang for at forberede eksperimentet. Som Hitesh Agarwal, første medforfatter, husker "at lave TDBG-prøver er ikke en triviel opgave. Vi startede med at eksfoliere flager af grafen, fortsætte denne proces, indtil vi kunne finde en stor nok flage af tolags grafen. Derefter skar vi flagen i halve med en mikromanipulator, tag en af ​​halvdelene op, drej den 15 grader og stak den ind på den anden for at skabe en TDBG-stak."

Disse enheder blev derefter kølet ned til 4 kelvin temperatur for at udføre præcise målinger af elektrisk modstand. Under belysning af mellem-infrarødt lys så de, at modstanden faldt betydeligt, hvilket gav anledning til muligheden for at bruge disse enheder som fotodetektorer.

Kreativitet i forskning

Efter flere måneders intensivt arbejde med eksperimentet var holdet forpligtet til at søge efter logistik og eksperimentelle alternativer for at overvinde de begrænsninger, der blev pålagt af den pludselige nedlukning i 2020 for at fortsætte undersøgelsen, som omfattede fjernstyring af udstyret for at fortsætte målinger under pandemier.

Holdet arbejdede hårde timer på at opsætte eksperimentet, måle så meget som muligt for at give dem mulighed for at indsamle og forstå den type data, de fik, og hvad det faktisk betød. "En af de store udfordringer, vi stod over for, var faktisk at forstå oprindelsen af ​​den store respons og benchmarke den pålideligt med kommercielle teknologier" husker Roshan Krishna Kumar.

Efter mange måneder med at analysere data, bestemme hvad der skulle måles og hvorfor, lære at skelne mellem forskellige hypoteser og komme op med nye ideer, der kunne lette opnåelse af resultater, var de i stand til endelig at kvantificere den interne kvanteeffektivitet – indikator for brøkdel af de absorberede fotoner, der omdannes til den målte ændring i elektrisk strøm - og fandt ud af, at effektiviteten af ​​det meste af spektrumområdet var lig med eller over 40%, hvilket er en god værdi og meget lovende, når det kombineres med det ultra-brede spektralområde. rækkevidde og skalerbarhed af TDBG.

Efter de indledende målinger indså forskerne, at fotodetektoren kunne have langbølgelængdeegenskaber, der strækker sig ned til 2 THz, efter at de har karakteriseret det iboende båndgab af TDBG, som indstiller afskæringsfrekvensen for deres detektorer.

Motiveret af denne fristende udsigt fløj Hitesh Agarwal til Schweiz for at udføre målinger i laboratoriet hos Giacomo Scalari, som er eksperter i terahertz-teknologier og stærke samarbejdspartnere med ICFO under projektet PhotoTBG. Ved at bruge deres tilpassede bredbåndsmåleopsætninger demonstrerede de det ultrabrede bølgelængdeområde, der blev rapporteret i undersøgelsen.

Forskerne fokuserede derefter på at forstå den fysiske mekanisme bag det målte signal. Efter lang brainstorming med prof. Frank Koppens fandt vi ud af, at responsen mest skyldes den fotokonduktive effekt, hvor fotoner påvirker modstanden ved at skabe flere elektron-hul-par direkte snarere end den bolometriske effekt, hvor fotoner varmer prøven op, og som indirekte påvirker modstanden ved temperaturændringen."

Resultaterne af denne undersøgelse viser, at de beskrevne metoder og resultater kan tjene som en guide og et benchmark for andre forskere, der bruger lys til at studere disse meget interessante snoede materialer.

Forklaringen på ledningsevneforbedring ved interlagsscreening, metoden til at skelne mellem bolometrisk og fotokonduktiv respons og den foreslåede idé om 3-dimensionel stabling kan meget vel bruges som grundlag for yderligere forskning i andre to-dimensionelle materialer.

Flere oplysninger: H. Agarwal et al., Ultrabredbåndsfotokonduktivitet i snoede grafen-heterostrukturer med stor responsivitet, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01291-0

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af ICFO