Onderzoekers hebben een probleem opgelost dat de ontwikkeling van zeer gevoelige optische apparaten, gemaakt van een materiaal dat grafeen wordt genoemd, belemmert. een vooruitgang die toepassingen van beeldvorming en displays tot sensoren en hogesnelheidscommunicatie zou kunnen brengen.

Grafeen is een extreem dunne laag koolstof die veelbelovend is voor opto-elektronica, en onderzoekers proberen op grafeen gebaseerde fotodetectoren te ontwikkelen, apparaten die essentieel zijn voor veel technologieën. Echter, typische fotodetectoren gemaakt van grafeen hebben slechts een klein gebied dat gevoelig is voor licht, hun prestaties beperken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben het probleem opgelost door grafeen te combineren met een relatief veel groter siliciumcarbidesubstraat, het creëren van grafeen veldeffecttransistoren, of GFET's, die kan worden geactiveerd door licht, zei Yong Chen, een Purdue University hoogleraar natuurkunde en astronomie en elektrische en computertechniek, en directeur van het Purdue Quantum Center.

Hoogwaardige fotodetectoren kunnen nuttig zijn voor toepassingen zoals snelle communicatie en ultragevoelige camera's voor astrofysica, evenals het detecteren van toepassingen en draagbare elektronica. Arrays van op grafeen gebaseerde transistors kunnen beeldvorming en displays met hoge resolutie opleveren.

"In de meeste camera's heb je veel pixels nodig, " zei Igor Jovanovic, een professor in nucleaire techniek en radiologische wetenschappen aan de Universiteit van Michigan. "Echter, onze aanpak zou een zeer gevoelige camera mogelijk kunnen maken waarbij je relatief weinig pixels hebt maar toch een hoge resolutie hebt."

Nieuwe bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die deze week in het tijdschrift verschijnt Natuur Nanotechnologie . Het werk werd uitgevoerd door onderzoekers van Purdue, de Universiteit van Michigan en de Staatsuniversiteit van Pennsylvania.

"In typische op grafeen gebaseerde fotodetectoren die tot nu toe zijn aangetoond, de fotorespons komt alleen van specifieke locaties in de buurt van grafeen over een gebied dat veel kleiner is dan de grootte van het apparaat, " zei Jovanovic. "Echter, voor veel opto-elektronische apparaattoepassingen, het is wenselijk om fotorespons en positiegevoeligheid over een veel groter gebied te verkrijgen."

Nieuwe bevindingen tonen aan dat het apparaat reageert op licht, zelfs wanneer het siliciumcarbide wordt verlicht op afstanden ver van het grafeen. De prestatie kan tot 10 keer worden verhoogd, afhankelijk van welk deel van het materiaal wordt verlicht. De nieuwe fototransistor is ook "positiegevoelig, " wat betekent dat het de locatie kan bepalen waar het licht vandaan komt, wat belangrijk is voor beeldvormingstoepassingen en voor detectoren.

"Dit is de eerste keer dat iemand het gebruik van een klein stukje grafeen op een grote plak siliciumcarbide heeft aangetoond om niet-lokale fotodetectie te bereiken, zodat het licht het grafeen zelf niet hoeft te raken, "zei Chen. "Hier, het licht kan op een veel groter gebied invallen, bijna een millimeter, wat nog niet eerder is gedaan."

Er wordt een spanning aangelegd tussen de achterkant van het siliciumcarbide en het grafeen, het opzetten van een elektrisch veld in het siliciumcarbide. Invallend licht genereert "fotodragers" in het siliciumcarbide.

"De halfgeleider levert de media die interageren met licht, " zei Jovanovic. "Als er licht binnenkomt, een deel van het apparaat wordt geleidend en dat verandert het elektrische veld dat op grafeen werkt."

Deze verandering in het elektrische veld verandert ook de geleidbaarheid van grafeen zelf, die wordt gedetecteerd. De aanpak wordt veldeffectfotodetectie genoemd.

Het siliciumcarbide is "ongedoteerd, " in tegenstelling tot conventionele halfgeleiders in op silicium gebaseerde transistors. Door ongedoteerd te zijn, wordt het materiaal een isolator, tenzij het wordt blootgesteld aan licht, waardoor het tijdelijk gedeeltelijk geleidend wordt, het elektrische veld op het grafeen veranderen.

"Dit is een nieuwigheid van dit werk, ' zei Chen.

Het onderzoek houdt verband met de ontwikkeling van nieuwe op grafeen gebaseerde sensoren die zijn ontworpen om straling te detecteren en werd gefinancierd met een gezamenlijke subsidie ​​van de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid en een andere subsidie ​​van het Defense Threat Reduction Agency.

"Dit specifieke artikel gaat over een sensor om fotonen te detecteren, maar de principes zijn hetzelfde voor andere soorten straling, Chen zei. "We gebruiken de gevoelige grafeentransistor om het veranderde elektrische veld te detecteren dat wordt veroorzaakt door fotonen, licht in dit geval interactie met een siliciumcarbide substraat."

Lichtdetectoren kunnen worden gebruikt in apparaten die scintillatoren worden genoemd, die worden gebruikt om straling te detecteren. Ioniserende straling zorgt voor korte lichtflitsen, die in scintillatoren worden gedetecteerd door apparaten die fotovermenigvuldigingsbuizen worden genoemd, een ongeveer eeuwenoude technologie.

"Er is dus veel interesse in het ontwikkelen van geavanceerde op halfgeleiders gebaseerde apparaten die dezelfde functie kunnen bereiken, ' zei Jovanovic.

Het artikel is geschreven door voormalig Purdue postdoctoraal onderzoeksmedewerker Biddut K. Sarker; voormalig Penn State afgestudeerde student Edward Cazalas; Purdue afgestudeerde student Ting-Fung Chung; voormalig Purdue afgestudeerde student Isaac Childres; Jovanovic; en Chen.

The researchers also explained their findings with a computational model. The transistors were fabricated at the Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park.

Future research will include work to explore applications such as scintillators, imaging technologies for astrophysics and sensors for high-energy radiation.