Графеновый фотодетектор демонстрирует высочайшую чувствительность записи

Схематическое изображение конструкции предложенного фотодетектора на основе графена. (кликните картинку для увеличения)

Схематическое изображение конструкции предложенного фотодетектора на основе графена. (кликните картинку для увеличения)

10.10.2013 (0:12)
Просмотров: 2916
Рейтинг: 1.50
Голосов: 2

Теги:
фотодетектор, графен, фотон,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Ученые из США создали сверхбыстрый высокопроизводительный фотодетектор на основе графена и кремниевого волновода. Фоточувствительность структуры, произведенной на основе КМОП-техники, в 16 раз превышает лучшие из создававшихся до сих пор графеновых детекторов света. Кроме того, устройство работает в широком диапазоне длин волн излучения – между 1450 и 1590 нм. Как считают сами исследователи, предложенный ими детектор может быть идеальным для таких практических приложений, как, к примеру, оптические системы связи со сверхвысокой пропускной способностью.

Как известно, ширина частотной полосы обычных фотоприемников на основе кремния, германия или других полупроводниковых соединений ограничена положением запрещенной зоны для электронов в этих материалах (детектор может фиксировать фотоны с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны для носителей). Графен не имеет запрещенной зоны, поэтому, в принципе, способен обнаружить фотоны любой длины волны.

Графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Данный материал уже в ближайшем будущем может найти применение в самых разных технологических областях. Считается также, что графен в будущем может заменить кремний в качестве основного материала электронной отрасли. Это возможно благодаря удивительным свойствам графена, к примеру, его чрезвычайно высокой электропроводности.

Графен также имеет большие перспективы в фотонике, поскольку он поглощает практически каждый фотон, генерируя при этом пару носителей заряда: электрон и дырку проводимости, которые в принципе могут быть преобразованы в электрический ток. Но самое важное, что, благодаря тому, что электроны распространяются в графене, практически не испытывая сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки, он может поглощать свет из широкого спектрального диапазона.

Загвоздка в применении графена в фотонике заключается в том, что данный материал имеет низкую внешнюю квантовую эффективность: менее 3% падающего на него света действительно поглощается. К этой проблеме необходимо прибавить и тот факт, что полезный ток можно извлечь из графена только с помощью устройства, имеющего оптимизированную «ассиметрию» электрических контактов.

Совместная группа ученых из Massachusetts Institute of Technology, IBM и Columbia University (США) в своей последней работе преодолела эти проблемы, скомпоновав оптические волноводы в кремниевых мембранах и двойные слои графена. В рамках созданной ими конструкции фотоны взаимодействуют с графеном даже на расстоянии порядка нескольких десятков микрон, а это означает, что почти 100% падающих фотонов поглощаются. Таким образом, интегрированный в конструкцию волновод позволяет графену эффективно собирать фотоны и преобразовывать их в электрический ток.

Чувствительность созданного устройства достигает уровня фотодетекторов из германия в кремниевой цепи. Важно, что значительного повышения чувствительности относительно предыдущих разработок на основе графена удалось добиться без снижения частоты работы устройства (в отличие, к примеру, от предложенных ранее фотодетекторов на основе сочетания графена и квантовых точек). Кроме того, устройство работает в широкой спектральной полосе. Как отмечают ученые, разработанный фотодетектор позволяет фиксировать даже фотоны с длиной волны, к примеру, два микрона. Мимо обычного детектора на основе германия такой фотон «полетит» без остановки.

В качестве еще одного полезного свойства нового фотодетектора можно отметить тот факт, что он способен работать без внешнего источника энергии. Поскольку в будущем ученые ожидают удешевления графена (предполагается, что этот материал должен стать дешевле германия), подобные фотодетекторы можно будет производить в коммерческих масштабах.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Photonics.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное





Rambler's Top100