Verbetering van ultrabreedbandfotodetectie met een apparaat op basis van gedraaid dubbellaags grafeen

Hyperspectrale beeldvorming maakt gebruik van het volledige spectrum van licht om gedetailleerde inzichten te geven in de natuur en haar gedrag. Deze inzichten openen een domein voor vele toepassingen, waaronder autonoom rijden, milieumonitoring, gezondheidszorg, ruimteverkenning of zelfs landbouw en voedselverwerking.

Beeldvorming van het infrarood naar het terahertz-regime vormt een technologische uitdaging omdat hiervoor apparaten nodig zijn die efficiënt en gevoelig genoeg zijn over het hele bereik van het spectrum.

Tot nu toe zijn de enige die gedeeltelijk aan de verwachtingen voldoen fotogeleiderarrays op basis van kwikcadmiumtelluride-elementen. Hoewel dit de meest geschikte technologie is die momenteel beschikbaar is, is hun prestatie-efficiëntie bij het detecteren van licht niet erg breedbandig, omdat ze de neiging hebben efficiënte absorbeerders te zijn voor bepaalde golflengten, maar slechter presteren voor andere en ze simpelweg niet over de mogelijkheden beschikken om de langste golflengten van licht te detecteren. in het terahertz-regime, dat steeds relevanter wordt voor de technologie.

Zoals Frank Koppens, corresponderend auteur van de studie, vermeldt: “Het verdraaien van tweedimensionale materialen zoals grafeen heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van kwantummaterialen, gedreven door de ontdekking van onconventionele supergeleiding. Maar onlangs hebben we ook kunnen zien dat het een platform voor een breed scala aan toepassingen, vanwege de unieke en zeer afstembare eigenschappen.”

Daarom is de afgelopen jaren aangetoond dat dubbellaags grafeen (BLG) een indrukwekkende fotodetector is wanneer het wordt beïnvloed door externe elektrische velden, hoewel de lichtabsorptie vanwege zijn 2D-karakter tamelijk beperkt is. Interessant is dat BLG voldoet aan de bestaande siliciumtechnologie, een must om op de markt te worden geïntroduceerd.

De noodzaak om een ​​elektrisch veld aan te leggen brengt echter enorme problemen met zich mee bij het opschalen van de fabricage in drie dimensies, wat nodig zou zijn om het probleem van de lage absorptie van BLG te overwinnen.

Een nieuw apparaat

Gedraaide “dubbele” dubbellaagse grafeenapparaten (TDBG) zijn daarentegen naar voren gekomen als een uniek materiaal dat deze beperkingen kan omzeilen. TDBG is gemaakt van twee dubbellaagse grafeenstapels die over een grote hoek (15 graden) zijn geroteerd of gedraaid en waarvan onlangs is aangetoond dat ze hun eigen intrinsieke elektrische veld creëren zonder de noodzaak van extra elektroden die de fabricage in het geval van BLG bemoeilijken.

Dit heeft perspectieven geopend voor breedbanddetectie in een schaalbaar systeem, maar tot nu toe zijn de lichtdetectiemogelijkheden van TDBG niet getest.

In een studie gepubliceerd in Natuur Fotonicarapporteren onderzoekers over de ontwikkeling van een nieuwe TDBG ultrabreedbandfotodetector die in staat is om zeer efficiënt licht te detecteren in een spectraal bereik dat zich uitstrekt van de verre terahertz (100 μm golflengte, equivalent aan 3 THz) tot aan het nabij-infrarood (2 μm golflengte of 150 THz) en met een goede continue efficiëntie over het hele bereik, zonder enige onderbreking.

De ICFO-onderzoekers Hitesh Agarwal & Krystian Nowakowski werden geleid door postdoc-onderzoeker Dr. Roshan Krishna Kumar en ICREA Prof. bij ICFO Frank Koppens. Ze werkten samen met de groep van ICREA Prof. Adrian Bachtold bij ICFO, de groep van prof. dr. Adrian Bachtold. Giacomo Scalari van ETH Zürich, en onderzoekers aan de Universiteit van Manchester, NIMS in Japan en CNRS in Frankrijk.

Het is aangetoond dat de ultrabreedbandfotodetector een goede interne kwantumefficiëntie heeft, een verbetering van de fotogeleiding door tussenlaagscreening en schaalbaarheid van TDBG omdat er geen poorten nodig zijn om het elektrische veld aan te leggen om de elektronische bandafstand te verkrijgen.

In hun experiment voerden de onderzoekers een grondige en begrijpelijke studie uit van de fotorespons in TDBG. Ze vervaardigden meerdere apparaten van TDBG en bestudeerden hun fotogeleiding, dat wil zeggen hoe hun elektrische weerstand verandert onder verlichting.

Zoals eerste co-auteur Krystian Nowakowski opmerkt: “Het idee van dit experiment ontstond na het lezen van een onderzoek waarin onderzoekers een kleine elektronische bandafstand hadden gevonden in gedraaid dubbellaags grafeen (TDBG) zonder de noodzaak van het aanleggen van een extern elektrisch veld, dat meestal is nodig om een ​​elektronische bandgap te openen in de gemeenschappelijke stapel dubbellaags grafeen (BLG).”

“De aanwezigheid van een bandgap maakt dubbellaags grafeen een goede lichtdetector, maar de noodzaak om een ​​extern elektrisch veld aan te leggen vormt een barrière voor toepassingen vanwege de complexiteit van het opschalen van de fabricage voor industriële toepassingen.” Na bestudering van de literatuur zagen ze dat niemand dit ooit had getest met ‘dubbele’ BLG, oftewel TDBG.

Het team heeft dus al hun inspanningen op alles gezet om het experiment voor te bereiden. Zoals Hitesh Agarwal, eerste co-auteur, zich herinnert: “Het maken van TDBG-monsters is geen triviale taak. We zijn begonnen met het exfoliëren van vlokken grafeen en zetten dit proces voort totdat we een voldoende grote vlok dubbellaags grafeen konden vinden. Vervolgens sneden we de vlok doormidden. pak met een micromanipulator een van de helften op, draai deze 15 graden en stapel ze op de andere om een ​​TDBG-stapel te creëren.

Deze apparaten werden vervolgens afgekoeld tot een temperatuur van 4 Kelvin om nauwkeurige metingen van de elektrische weerstand uit te voeren. Onder verlichting met midden-infraroodlicht zagen ze dat de weerstand aanzienlijk daalde, wat de mogelijkheid opriep om deze apparaten als fotodetectoren te gebruiken.

Creativiteit in onderzoek

Na enkele maanden intensief aan het experiment te hebben gewerkt, moest het team op zoek gaan naar logistieke en experimentele alternatieven om de beperkingen te overwinnen die werden opgelegd door de plotselinge sluiting in 2020 om het onderzoek voort te zetten, waaronder de afstandsbediening van de apparatuur om de metingen tijdens pandemieën voort te zetten.

Het team heeft zware uren gewerkt om het experiment op te zetten en zoveel mogelijk te meten, zodat ze het soort gegevens konden verzamelen en begrijpen wat ze kregen en wat het eigenlijk betekende. “Een van de grote uitdagingen waarmee we te maken kregen, was om de oorsprong van de grote respons daadwerkelijk te begrijpen en deze op betrouwbare wijze te benchmarken met commerciële technologieën”, herinnert Roshan Krishna Kumar zich.

Na vele maanden gegevens te hebben geanalyseerd, te hebben bepaald wat er moest worden gemeten en waarom, te hebben geleerd onderscheid te maken tussen verschillende hypothesen en met nieuwe ideeën te zijn gekomen die het verkrijgen van resultaten zouden kunnen vergemakkelijken, waren ze eindelijk in staat de interne kwantumefficiëntie te kwantificeren – indicator van de fractie van de geabsorbeerde fotonen die worden omgezet in de gemeten verandering in elektrische stroom – en ontdekte dat de efficiëntie van het grootste deel van het spectrumbereik gelijk was aan of hoger was dan 40%, wat een goede waarde is en zeer veelbelovend in combinatie met de ultrabrede spectrale bereik en schaalbaarheid van TDBG.

Na de eerste metingen realiseerden de onderzoekers zich dat de fotodetector langegolflengtemogelijkheden zou kunnen hebben die zich uitstrekken tot 2 THz nadat ze de intrinsieke bandafstand van TDBG hadden gekarakteriseerd, die de grensfrequentie van hun detectoren instelt.

Gemotiveerd door dit verleidelijke vooruitzicht vloog Hitesh Agarwal naar Zwitserland om metingen uit te voeren in het laboratorium van Giacomo Scalari, experts in terahertz-technologieën en sterke medewerkers van ICFO in het kader van het project PhotoTBG. Met behulp van hun op maat gemaakte breedbandmeetopstellingen demonstreerden ze het ultrabrede golflengtebereik dat in het onderzoek werd gerapporteerd.

De onderzoekers concentreerden zich vervolgens op het begrijpen van het fysieke mechanisme achter het gemeten signaal. Na lang brainstormen met prof. Frank Koppens ontdekten we dat de reactie vooral te danken is aan het fotogeleidende effect, waarbij fotonen de weerstand beïnvloeden door direct meer elektron-gatparen te creëren. in plaats van het bolometrische effect waarbij fotonen het monster opwarmen en dat indirect de weerstand beïnvloedt door de temperatuurverandering.”

De resultaten van dit onderzoek laten zien dat de beschreven methoden en resultaten kunnen dienen als leidraad en maatstaf voor andere wetenschappers die licht gebruiken voor het bestuderen van deze zeer interessante gedraaide materialen.

De verklaring van de verbetering van de geleidbaarheid door screening tussen lagen, de methode om onderscheid te maken tussen bolometrische en fotogeleidende respons en het voorgestelde idee van driedimensionaal stapelen kunnen heel goed worden gebruikt als basis voor verder onderzoek naar andere tweedimensionale materialen.