Graphene photodetector ditingkatkan oleh fractal golden 'snowflake'

Anonim

(Phys.org) - Peneliti telah menemukan bahwa desain fraktal seperti kepingan salju, di mana pola yang sama berulang pada skala yang lebih kecil dan lebih kecil, dapat meningkatkan absorpsi optik yang rendah secara graphene. Hasilnya menyebabkan fotodetektor graphene dengan peningkatan urutan photovoltage, bersama dengan deteksi cahaya ultrafast dan keuntungan lainnya.

Para peneliti, dari Universitas Purdue di Indiana, termasuk mahasiswa pascasarjana Jieran Fang dan Di Wang, yang dipandu oleh profesor Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, dan Vlad Shalaev, bersama dengan kolaborator mereka dari kelompok Profesor Yong P. Chen. Tim telah menerbitkan makalah tentang desain fraktal fotodetektor graphene baru dalam edisi terbaru Nano Letters.

Photodetectors adalah perangkat yang mendeteksi cahaya dengan mengubah foton menjadi arus listrik. Mereka memiliki berbagai macam aplikasi, termasuk di teleskop X-ray, mouse nirkabel, remote control TV, sensor robot, dan kamera video. Fotodetektor saat ini sering dibuat dari silikon, germanium, atau semikonduktor umum lainnya, tetapi baru-baru ini para peneliti telah menyelidiki kemungkinan membuat photodetectors dari graphene.

Meskipun graphene memiliki banyak sifat optik dan listrik yang menjanjikan, seperti seragam, penyerapan optik ultra-broadband, bersama dengan kecepatan elektron ultra-cepat, fakta bahwa itu hanya satu atom tebal memberikannya penyerapan optik rendah intrinsik, yang utamanya kelemahan untuk digunakan dalam photodetectors.

Untuk mengatasi serapan optik rendah graphene, para peneliti Purdue merancang graphene photodetector dengan kontak emas dalam bentuk metasurface fraktal seperti kepingan salju. Mereka menunjukkan bahwa pola fraktal melakukan pekerjaan yang lebih baik mengumpulkan foton di berbagai frekuensi dibandingkan dengan tepi emas-graphene polos, memungkinkan desain baru untuk menghasilkan fotovoltage 10 kali lebih banyak.

Fotodetektor graphene yang baru memiliki beberapa keunggulan lain, seperti sensitif terhadap cahaya dari setiap sudut polarisasi, yang berbeda dengan hampir semua fotodetektor graphene plasmonik lain yang disempurnakan di mana sensitivitas bergantung pada polarisasi. Fotodetektor graphene baru juga broadband, meningkatkan deteksi cahaya di seluruh spektrum yang terlihat. Selain itu, karena kecepatan elektron cepat inheren graphene, photodetector baru dapat mendeteksi cahaya sangat cepat.

"Dalam pekerjaan ini, kami telah memecahkan masalah penting untuk meningkatkan sensitivitas intrinsik rendah dalam fotodetektor graphene atas rentang spektrum yang luas dan dengan cara yang tidak sensitif-polarisasi, menggunakan desain mandiri yang mirip dari metasurface fraktal plasmonik, " kata Wang kepada Phys..org. "Sepengetahuan kami, dua atribut ini tidak tercapai dalam fotodetektor graphene plasmonik-ditingkatkan dilaporkan sebelumnya."

Para peneliti menjelaskan bahwa karakteristik ini dapat langsung dikaitkan dengan pola fraktal.

"Metasurface fraktal yang kami usulkan memiliki kemampuan unik untuk mendukung resonansi plasmonik (osilasi elektron bebas) di atas rentang spektrum luas dengan cara yang tidak sensitif polarisasi karena geometri simetrisnya yang kompleks dan sangat segi enam, " kata Kildishev. "Fotodetektor graphene yang ditingkatkan menggunakan plasmonic sebelumnya menggunakan struktur narrowband dan polarisasi-sensitif yang lebih sederhana, dan oleh karena itu peningkatannya juga narrowband dan polarisasi-sensitif."

Seperti yang telah ditunjukkan oleh penelitian sebelumnya, alasan bahwa pola fraktal dapat meningkatkan penyerapan optik adalah bahwa metasurface fraktal menciptakan resonansi tambahan, dengan jumlah resonansi yang meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah fraktal. Selain itu, para peneliti di sini menemukan bahwa batas-batas metasurface fraktal dan meningkatkan medan listrik dari cahaya yang mengenai permukaan. Hal ini pada akhirnya menghasilkan fotovoltage yang lebih tinggi yang dihasilkan dalam fotodetektor graphene.

Sebagaimana dijelaskan Kildishev secara lebih rinci, ada dua mekanisme utama dalam menginduksi photovoltage dalam fotodetektor berbasis graphene: efek fotovoltaik dan efek photothermoelectric. Efek fotovoltaik menggunakan medan listrik built-in yang diinduksi oleh daerah terdoping berbeda di graphene untuk memisahkan pasangan lubang elektron yang tereksitasi secara optik di graphene. Efek photothermoelectric menggerakkan elektron bebas dalam graphene di seluruh wilayah dengan kekuatan termoelektrik yang berbeda (koefisien Seebeck), diberi gradien suhu di antara dua wilayah.

Metasurface fraktal meningkatkan baik efek dalam fotodetektor graphene dengan meningkatkan intensitas medan listrik dan dengan pemanasan melalui cahaya insiden di ruang yang sangat terbatas.

"Metasurface fraktal meningkatkan photovoltage dengan memanfaatkan resonansi plasmonik — osilasi elektron bebas dalam emas di bawah eksitasi cahaya, " kata Kildishev. "Ini kemudian membatasi energi elektromagnetik untuk volume ultra-kecil, menghasilkan pasangan elektron-lubang yang berlebihan di graphene yang kemudian dipisahkan oleh efek fotovoltaik. Kejadian cahaya juga memanaskan struktur plasmonik untuk menciptakan gradien suhu besar di seluruh logam / graphene antarmuka, sehingga menimbulkan respons photothermoelectric yang lebih kuat. "

Di masa depan, para peneliti berencana untuk mengeksplorasi aplikasi potensial dari graphene photodetectors, yang dapat melampaui foto untuk pengambilan foto, dengan aplikasi seperti sel surya dan pemanasan optik. Teknologi yang membutuhkan respons cepat juga dapat mengalami peningkatan yang signifikan karena kecepatan operasi cepat fotodetektor graphene.

"Satu atribut besar dari detektor photofase / fotofarmelektrik graphene adalah bahwa ia bereaksi terhadap cahaya pada tingkat yang sangat cepat, berkat kecepatan bergerak elektron ultra cepat (efek fotovoltaik) dan waktu ultrashort yang diperlukan elektron untuk memberikan panas (efek photothermoelectric) dalam graphene, "kata Wang. "Kecepatan respons seperti itu tak tertandingi oleh material-material fotodeteksi lainnya.

"Peningkatan Plasmonic telah dikenal untuk mengorbankan kecepatan respon ultra cepat untuk tingkat minor. Oleh karena itu, fotodetektor graphene plasmonic-enhanced menjanjikan untuk semua-optik modulator pembacaan dan aplikasi lain di mana kecepatan respon adalah kunci. Selain itu, graphene memiliki nol (atau merdu) bandgap dan serapan optik seragam di seluruh spektrum elektromagnetik. Oleh karena itu, photodetectors graphene pada prinsipnya dapat digunakan untuk mendeteksi cahaya dari setiap frekuensi dengan sensitivitas yang sama, yang sekali lagi tidak ada bandingannya dengan detektor lain yang terbuat dari bahan fotodeteksi lainnya. "

menu
menu