Onderzoekers in Canada hebben een enkelbladige grafeen pn-overgang met twee toppoorten ontworpen en gefabriceerd. De standaard techniek, met behulp van een boven- en onderhek, kan leiden tot beschadiging van de grafeenlaag. In de nieuwe methode wordt dit vermeden, die ook lineaire IV-karakteristieken biedt bij lage poortspanning. De structuur met twee poorten zal naar verwachting een praktische route zijn naar een terahertz-bron op kamertemperatuur.

Gapless

Grafeen gedraagt ​​zich als een gapless halfgeleider, met nul kloof tussen de valentie- en geleidingsband. Als gevolg hiervan, het is gemakkelijk om af te stemmen tussen een n-type (elektronen zijn de belangrijkste ladingsdragers) of p-type (gaten zijn de belangrijkste ladingsdragers) halfgeleider. Het toepassen van een positieve poortspanning op het grafeen zal het Fermi-niveau in de geleidingsband verschuiven, het creëren van een p-type halfgeleider. Een negatieve gate-spanning zal het Fermi-niveau verlagen tot de valentieband, het maken van gaten de dominante dragers.

Deze eigenschap betekent dat een enkel vel grafeen zich kan gedragen als een pn-overgang, zoals weergegeven in de onderste afbeelding. In dit geval, een positieve poortspanning kan worden toegepast op de eerste poort, en een negatief voor de tweede, het verschuiven van de Fermi-niveaus in die regio's en het creëren van de kruising.

Niet-destructief

Bij eerdere pogingen om verbindingen uit één plaat te vervaardigen, werd gebruik gemaakt van een bovenste poort in combinatie met een onderste poort. Deze technieken gebruikten het substraat als de onderste poort, wat het Fermi-niveau van het hele blad zou verlagen. Een enkele toppoort zou dan kunnen worden gebruikt om het Fermi-niveau lokaal te verhogen. Echter, om het onderste poortpotentieel te overwinnen, de spanning van de toppoort moest zo hoog worden opgevoerd dat het grafeen beschadigd raakte of de IV-karakteristieken zeer niet-lineair werden. Aangezien de nieuwe structuur slechts één poort lokaal toepast, alleen zeer lage spanningen nodig, waardoor het materiaal en zijn lineaire kenmerken behouden blijven.

De lage spanningen spelen ook een rol bij de geschiktheid van het apparaat voor THz-productie. De meeste halfgeleiders hebben een bandgap die veel groter is dan de energie die gepaard gaat met THz-straling. Het zero-gap karakter van grafeen betekent dat het op deze frequenties kan werken, omdat populatie-inversie en elektron-gat-recombinatie op elke frequentie kunnen worden afgestemd, zelfs de energiezuinige THz-band.

Gematigd

De werking van grafeenapparaten in THz-productie werd uitgelegd door Jingping Liu, de hoofdauteur van het onderzoek. De techniek, bekend als injectie, gebruikt elektron-gat-recombinatie:"voor n-type grafeen, extra elektronen worden geïnduceerd door een elektrostatisch veld en worden geaccumuleerd in de grafeenlaag, resulterend in populatie-inversie, "zei Liu. Hierna, legde ze uit dat "met de hulp van de voorwaartse vooringenomenheid, de elektronen met een hoog energieniveau gaan naar het p-type grafeen, en recombineren met de gaten in p-type grafeen om TH Z-fotonen te genereren."

Hoewel het team heeft aangetoond dat hun apparaat dat kan, in principe, worden gebruikt voor de TH Z-generatie, er is veel meer onderzoek nodig om het in de praktijk te brengen. De groep werkt nu aan transportverschijnselen en temperatuureffecten in grafeen p-n-overgangen. "Door het onderzoek naar het dynamische mechanisme van de pn-overgang met injectiestroom, we zullen het elektronische transportmechanisme van de pn-overgang begrijpen, " zei Liu "en krijg de recombinatiekans en de levensduur van stralingsrecombinatie, fononverstrooiing en Auger-recombinatie, om het theoretische bewijs te leveren voor het modelontwerp van de TH Z-laserbron."

Liu is ervan overtuigd dat deze eenvoudige apparaten verdere toepassingen voor THz-technologie zullen openen door hun werking bij kamertemperatuur:"THz-kwantumcascadelasers zijn veelbelovende coherente THz-bronnen, maar ze kunnen niet worden gebruikt bij kamertemperatuur, " ze zei, "De monolaag van grafeen biedt echter unieke en nieuwe kansen en het zou geweldig zijn als, op een dag, een TH Z-bron gemaakt van grafeen zou bij kamertemperatuur kunnen worden gebruikt."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan Electronics Letters. Ga voor meer nieuws en functies over Electronics Letters naar theiet.org/eletters.