Wetenschap
Hoogwaardige terahertz-modulatoren geïnduceerd door substraatveld in op Te gebaseerde volledig 2D heterojuncties
Hoogwaardige actieve terahertz (THz) modulatoren zijn van groot belang voor de communicatietechnologie van de volgende generatie. Ze hebben momenteel echter last van de afweging tussen modulatiediepte en snelheid.
Tweedimensionale (2D) materialen met unieke fysieke eigenschappen zoals sterke interacties tussen licht en materie, een atomair dun profiel en snelle dragerrecombinatie, zouden een intrigerend platform kunnen bieden voor het onderzoeken van opto-elektronische apparaten in de fundamentele natuurkunde. Daarom is het dringend nodig om de gunstige 2D-materialen te vinden die de prestaties van apparaten verbeteren.
Het opkomende mono-elementaire 2D-tellurium (Te) is een intrigerende nieuwe optie. Dit materiaal, met een unieke spiraalvormige ketenstructuur, heeft veelbelovende eigenschappen, zoals een laagafhankelijke bandafstand, buitengewoon hoge dragermobiliteit, een sterke optische respons en goede luchtstabiliteit.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Application , een team van wetenschappers, geleid door professor Qingli Zhou van Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministerie van Onderwijs, en Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Theory and Technology, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academie van Wetenschappen, China en collega's hebben op Te gebaseerde THz-modulatoren ontwikkeld voor het succesvol bevorderen van de prestaties van het apparaat naar de optimale en toepasbare niveaus onder de bestaande volledig 2D-breedbandmodulatoren.
De onderzoekers ontdekten dat de Te-nanofilms een hoge modulatiediepte kunnen bereiken in een tijdschaal van picoseconden en een ultragevoelige respons kunnen vertonen bij lage pompexcitatie. Gecombineerd met volledig 2D-heterostructuurontwerp en substraattechniek kan de parameteroptimalisatie van het apparaat worden gerealiseerd. Daarom vertoont hun gefabriceerde heterojunctie met de stapelvolgorde van Ge/Te de ultrahoge modulatiediepte en de kortstondige levensduur van de drager, vergezeld van de lage verliezen en brede bandbreedte-eigenschappen.
Verdere fotoresponsexperimenten vertonen het duidelijke rectificatie-effect in Ge/Te als gevolg van de grensvlakbarrière. Om de waargenomen significante impact van de stapelvolgorde te onderzoeken, berekende het team de richting van het substraat-geïnduceerde elektrische veld en ontdekte het ongebruikelijke interactiemechanisme ervan in de foto-geëxciteerde dragerdynamiek geassocieerd met de ladingsoverdracht en excitonrecombinatie tussen de lagen.
Hun resultaten zouden een uitgebreider inzicht kunnen verschaffen in het interne mechanisme van ultrasnelle ladingsoverdracht en excitondynamiek in volledig 2D-heterostructuren, het ontwerp van heterointerfaces kunnen begeleiden en een nieuwe klasse van energie-efficiënte, hoge snelheden en laag invoegverlies kunnen voorstellen. breedband afstembare THz-fotonische apparaten.
De krachtige THz-modulatoren zijn gecentreerd rond Te-nanofilm en zijn heterojuncties om het probleem van de afweging tussen modulatiediepte en snelheid op te lossen. Bovendien hebben ze ontdekt dat de stapelvolgorde van materialen een duidelijke invloed heeft op de modulatie-eigenschap. De berekening en analyse maken duidelijk dat het effectieve veld van het substraat de bandstructuur van het heterogene grensvlak via de stapelvolgorde bepaalt, en dus het optische transiënte gedrag kan worden gereguleerd.
"We introduceren 2D Te-nanofilms met de unieke structuur als een nieuwe klasse van optisch gestuurde THz-modulatoren en demonstreren dat hun geïntegreerde heterojuncties met succes de prestaties van het apparaat kunnen verbeteren tot de optimale en toepasbare niveaus onder de bestaande volledig 2D-breedbandmodulatoren.
"Verdere fotoresponsmetingen bevestigen de significante impact van de stapelvolgorde. We verduidelijken eerst de richting van het substraat-geïnduceerde elektrische veld door middel van berekeningen uit de eerste beginselen en onthullen het ongebruikelijke interactiemechanisme in de foto-geëxciteerde dragerdynamiek geassocieerd met de ladingsoverdracht en excitonrecombinatie tussen de lagen .
"Onze verkregen resultaten laten zien dat de op Te gebaseerde, volledig 2D vdW-heterojuncties met de substraattechniek de prestaties van het apparaat opmerkelijk kunnen verbeteren en een nieuw idee kunnen openen voor het ontwerp, de optimalisatie en de toepassing van de optisch bestuurde, zeer efficiënte THz-modulatoren", aldus Dr. de onderzoekers.
"Wij zijn van mening dat de resultaten van dit werk niet alleen op fundamenteel niveau van groot belang zijn, maar ook richtlijnen bieden voor toekomstig ontwerp en ontwikkeling van hoogwaardige THz-modulatoren op basis van functionele nanomaterialen", aldus de wetenschappers.