Onderzoekers ontdekten een nieuwe manier om opto-elektronische apparaten te ontwerpen door een tweedimensionaal materiaal op een siliciumfotonisch platform uit te rekken. Met behulp van deze methode, bedacht strainoptronics door een team onder leiding van George Washington University-professor Volker Sorger, de onderzoekers toonden voor het eerst aan dat een 2D-materiaal gewikkeld rond een silicium fotonische golfgeleider op nanoschaal een nieuwe fotodetector creëert die met hoge efficiëntie kan werken bij de technologiekritische golflengte van 1550 nanometer.

Dergelijke nieuwe fotodetectie kan toekomstige communicatie- en computersystemen vooruithelpen, vooral in opkomende gebieden zoals machine learning en kunstmatige neurale netwerken.

De steeds toenemende vraag naar data van moderne samenlevingen vereist een efficiëntere conversie van datasignalen in het optische domein, van glasvezel internet tot elektronische apparaten, zoals een smartphone of laptop. Dit conversieproces van optische naar elektrische signalen wordt uitgevoerd door een fotodetector, een cruciale bouwsteen in optische netwerken.

2-D materialen hebben wetenschappelijke en technologisch relevante eigenschappen voor fotodetectoren. Vanwege hun sterke optische absorptie, het ontwerpen van een op materiaal gebaseerde 2D-fotodetector zou een verbeterde fotoconversie mogelijk maken, en dus efficiëntere datatransmissie en telecommunicatie. Echter, 2-D halfgeleidende materialen, zoals die uit de familie van overgangsmetaaldichalcogeniden, hebben, tot dusver, waren niet in staat om efficiënt te werken op telecommunicatiegolflengten vanwege hun grote optische bandgap en lage absorptie.

Strainoptronics biedt een oplossing voor deze tekortkoming en voegt een technisch hulpmiddel toe voor onderzoekers om de elektrische en optische eigenschappen van 2D-materialen te wijzigen, en dus de baanbrekende 2D-materiaalgebaseerde fotodetectoren.

Het potentieel van strainoptronics realiseren, spanden de onderzoekers een ultradun laagje molybdeentelluride, een 2-D materiële halfgeleider, bovenop een silicium fotonische golfgeleider om een ​​nieuwe fotodetector samen te stellen. Vervolgens gebruikten ze hun nieuw gecreëerde strainoptronics "regelknop" om de fysieke eigenschappen ervan te veranderen om de elektronische bandgap te verkleinen, waardoor het apparaat kan werken op nabij-infraroodgolflengten, namelijk bij de telecommunicatie (C-band) relevante golflengte rond 1550 nm.

De onderzoekers merkten een interessant aspect van hun ontdekking op:de hoeveelheid spanning die deze halfgeleider 2-D-materialen kunnen verdragen, is aanzienlijk hoger in vergelijking met bulkmaterialen voor een bepaalde hoeveelheid spanning. Ze merken ook op dat deze nieuwe 2D-materiaalgebaseerde fotodetectoren 1, 000 keer gevoeliger in vergelijking met andere fotodetectoren die grafeen gebruiken. Fotodetectoren die in staat zijn tot een dergelijke extreme gevoeligheid zijn niet alleen nuttig voor datacommunicatietoepassingen, maar ook voor medische detectie en mogelijk zelfs kwantuminformatiesystemen.

"We hebben niet alleen een nieuwe manier gevonden om een ​​fotodetector te ontwerpen, maar ontdekte ook een nieuwe ontwerpmethodologie voor opto-elektronische apparaten, die we 'strainoptronics' noemden. Deze apparaten hebben unieke eigenschappen voor optische datacommunicatie en voor opkomende fotonische kunstmatige neurale netwerken die worden gebruikt in machine learning en AI, " verklaarde Volker Sorger, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek bij GW

"Interessant, in tegenstelling tot bulkmaterialen, tweedimensionale materialen zijn bijzonder veelbelovende kandidaten voor spanningstechniek omdat ze grotere hoeveelheden spanning kunnen weerstaan ​​voordat ze scheuren. In de nabije toekomst, we willen spanning dynamisch toepassen op veel andere tweedimensionale materialen in de hoop eindeloze mogelijkheden te vinden om fotonische apparaten te optimaliseren, " concludeerde Rishi Maiti, postdoctoraal onderzoeker op de afdeling elektrotechniek en computertechniek bij GW