(Phys.org)—Onderzoekers hebben ontdekt dat een sneeuwvlokachtig fractal-ontwerp, waarin hetzelfde patroon zich op steeds kleinere schaal herhaalt, kan de inherent lage optische absorptie van grafeen verhogen. De resultaten leiden tot grafeen fotodetectoren met een orde van grootte toename in fotovoltage, samen met ultrasnelle lichtdetectie en andere voordelen.

De onderzoekers, van de Purdue University in Indiana, onder meer afgestudeerde studenten Jieran Fang en Di Wang, die werden begeleid door professoren Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, en Vlad Shalaev, samen met hun medewerkers uit de groep van professor Yong P. Chen. Het team heeft een artikel gepubliceerd over het nieuwe fractal-ontwerp van grafeenfotodetector in een recent nummer van: Nano-letters .

Fotodetectoren zijn apparaten die licht detecteren door fotonen om te zetten in elektrische stroom. Ze hebben een breed scala aan toepassingen, ook in röntgentelescopen, draadloze muizen, TV-afstandsbedieningen, robotachtige sensoren, en videocamera's. Huidige fotodetectoren zijn vaak gemaakt van silicium, germanium, of andere gewone halfgeleiders, maar recentelijk hebben onderzoekers de mogelijkheid onderzocht om fotodetectoren te maken van grafeen.

Hoewel grafeen veel veelbelovende optische en elektrische eigenschappen heeft, zoals uniformen, ultra-breedband optische absorptie, samen met ultrasnelle elektronensnelheid, het feit dat het slechts één atoom dik is, geeft het een intrinsiek lage optische absorptie, wat het grootste nadeel is voor gebruik in fotodetectoren.

Om de lage optische absorptie van grafeen aan te pakken, de Purdue-onderzoekers ontwierpen een grafeenfotodetector met gouden contacten in de vorm van een sneeuwvlokachtig fractaal meta-oppervlak. Ze toonden aan dat het fractale patroon beter in staat is om fotonen te verzamelen over een breed scala aan frequenties in vergelijking met een gewone rand van goud-grafeen, waardoor het nieuwe ontwerp 10 keer meer fotospanning kan genereren.

De nieuwe grafeen-fotodetector heeft verschillende andere voordelen, zoals dat het gevoelig is voor licht van elke polarisatiehoek, wat in tegenstelling is tot bijna alle andere met plasmon versterkte grafeenfotodetectoren waarbij de gevoeligheid polarisatie-afhankelijk is. De nieuwe grafeenfotodetector is ook breedband, verbetering van de lichtdetectie over het gehele zichtbare spectrum. In aanvulling, vanwege de inherent hoge elektronensnelheid van grafeen, de nieuwe fotodetector kan heel snel licht detecteren.

"In dit werk, we hebben een vitaal probleem opgelost om de intrinsiek lage gevoeligheid in grafeenfotodetectoren over een breed spectraal bereik en op een polarisatie-ongevoelige manier te verbeteren, met behulp van een intelligent zelf-gelijkend ontwerp van een plasmonisch fractaal meta-oppervlak, " vertelde Wang" Phys.org . "Voor zover we weten, deze twee kenmerken werden niet bereikt in eerder gerapporteerde met plasmon versterkte grafeenfotodetectoren."

De onderzoekers legden uit dat deze kenmerken direct kunnen worden toegeschreven aan het fractale patroon.

"Ons voorgestelde fractale meta-oppervlak heeft het unieke vermogen om plasmonische resonanties (vrije elektronenoscillaties) over een breed spectraalbereik op een polarisatie-ongevoelige manier te ondersteunen vanwege de complexe en zeer hexagonaal symmetrische geometrie, Kildishev zei. "Eerder gerapporteerde met plasmon versterkte grafeenfotodetectoren gebruiken eenvoudiger smalbandige en polarisatiegevoelige structuren, en daarom is de versterking ook smalbandig en polarisatiegevoelig."

Zoals eerder onderzoek heeft aangetoond, de reden dat een fractaal patroon de optische absorptie kan verbeteren, is dat het fractale meta-oppervlak extra resonanties creëert, waarbij de hoeveelheid resonantie toeneemt naarmate het aantal fractale niveaus toeneemt. In aanvulling, de onderzoekers hier ontdekten dat het fractale meta-oppervlak het elektrische veld van het licht dat het oppervlak raakt, beperkt en versterkt. Dit leidt uiteindelijk tot een hogere fotospanning die wordt gegenereerd in de grafeen-fotodetector.

Zoals Kildishev in meer detail uitlegde, er zijn twee belangrijke mechanismen voor het induceren van fotospanning in een op grafeen gebaseerde fotodetector:het fotovoltaïsche effect en het fotothermo-elektrisch effect. Het fotovoltaïsche effect gebruikt het ingebouwde elektrische veld dat wordt geïnduceerd door verschillend gedoteerde gebieden in grafeen om de optisch geëxciteerde elektronengatparen in grafeen te scheiden. Het fotothermo-elektrisch effect drijft de vrije elektronen in grafeen door regio's met verschillende thermo-elektrische vermogens (Seebeck-coëfficiënten), gegeven een temperatuurgradiënt tussen de twee regio's.

Het fractale meta-oppervlak verbetert beide effecten in grafeenfotodetectoren door de intensiteit van het elektrische veld te verhogen en door te verwarmen via invallend licht in zeer kleine ruimtes.

"Het fractale meta-oppervlak verbetert de fotospanning door gebruik te maken van plasmonische resonantie-vrije elektronenoscillaties in goud onder de excitatie van licht, "Kildishev zei. "Dit beperkt vervolgens de elektromagnetische energie tot ultrakleine volumes, het genereren van buitensporige elektron-gatparen in grafeen die vervolgens worden gescheiden door het fotovoltaïsche effect. Het invallende licht verwarmt ook de plasmonische structuur om een ​​grote temperatuurgradiënt over de metaal/grafeen-interface te creëren, wat aanleiding geeft tot een sterkere fotothermo-elektrische respons."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de mogelijke toepassingen van grafeenfotodetectoren te onderzoeken, die verder kunnen gaan dan fotodetectie tot fotooogst, met toepassingen als zonnecellen en optische verwarming. Technologieën die een snelle reactie vereisen, kunnen ook aanzienlijke verbeteringen ondergaan vanwege de hoge werksnelheid van de grafeenfotodetector.

"Een geweldig kenmerk van de grafeen fotovoltaïsche/fotothermo-elektrische detector is dat hij extreem snel op licht reageert, dankzij de ultrasnelle elektronenbewegingssnelheid (fotovoltaïsch effect) en de ultrakorte tijd die de elektronen nodig hebben om warmte af te geven (fotothermo-elektrisch effect) in grafeen, " zei Wang. "Een dergelijke reactiesnelheid is ongeëvenaard door andere fotodetectiematerialen.

"Het is bekend dat plasmonische verbetering de ultrasnelle reactiesnelheid in mindere mate opoffert. Daarom is plasmonisch verbeterde grafeenfotodetectoren zijn veelbelovend voor volledig optische modulatoruitlezing en andere toepassingen waarbij reactiesnelheid van cruciaal belang is. Bovendien, grafeen heeft nul (of afstembare) bandgap en uniforme optische absorptie in het gehele elektromagnetische spectrum. Daarom, grafeen-fotodetectoren kunnen in principe worden gebruikt om licht van elke frequentie met dezelfde gevoeligheid te detecteren, wat weer ongeëvenaard is door andere detectoren gemaakt van andere fotodetectiematerialen."

© 2017 Fys.org