Графеновый фотодетектор демонстрирует высочайшую чувствительность записи
 Схематическое изображение конструкции предложенного фотодетектора на основе графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
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.
Также по теме:
- Создан первый фотодетектор на основе графена
- Лавинные фотодетекторы бьют рекорды скорости
- Фотоприемник, созданный из графена и квантовых точек, бьет рекорды
- Германиевые наноиглы позволяют создавать неотражающие поверхности
- Рассеивающие свет нанопровода помогут улучшить характеристики светодиодов
Источники: