Een van de belangrijkste vereisten van toekomstige optische communicatietechnologieën is een lichtbron op nanoschaal die ultrasnelle lichtpulsen kan uitzenden. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben aangetoond dat grafeen een ideale kandidaat kan zijn voor zo'n lichtbron, door op grafeen gebaseerde apparaten te demonstreren die lichtpulsen uitzenden met een bandbreedte tot 10 GHz en een pulsduur van minder dan 100 picoseconden (of 10 miljard pulsen per seconde).

De onderzoekers, waaronder hoofdauteur Young Duck Kim aan de Kyung Hee University in Zuid-Korea, Professor James Hone aan de Columbia University, en hun co-auteurs, hebben een artikel gepubliceerd over de op grafeen gebaseerde lichtstralers in een recent nummer van: Nano-letters .

"Grafeen is een belangrijk opkomend materiaal in nanofotonica:recent werk heeft op grafeen gebaseerde snelle fotodetectoren en optische modulatoren aangetoond, " vertelde Kim Phys.org . "Dit werk voegt lichtemissie toe aan de gereedschapskist van ultrasnelle op grafeen gebaseerde fotonische apparaten."

Zoals de natuurkundigen uitleggen, grafeen heeft verschillende eigenschappen die het een veelbelovende kandidaat maken als ultrasnelle lichtzender, inclusief een hoge thermische stabiliteit en een lage warmtecapaciteit. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat op grafeen gebaseerde apparaten licht kunnen uitstralen in het infrarode en zichtbare bereik, hoewel de uitdaging om praktische snelle aan-uit-modulatie mogelijk te maken nog steeds bestaat. De onderzoekers verklaren dat, om dit te doen, een substraatondersteund apparaatontwerp met efficiënte warmtegeleiding is nodig om snelle koeling tussen pulsen mogelijk te maken.

Om in deze behoefte te voorzien, in het nieuwe artikel hebben de onderzoekers grafeen ingekapseld in hexagonaal boornitride (hBN). Ze toonden aan dat de inkapseling het grafeen in staat stelt temperaturen te bereiken die hoog genoeg zijn om helder licht uit te stralen in het zichtbare en nabij-infraroodbereik, met goede stabiliteit (geschatte levensduur van het apparaat van minimaal 4 jaar), en snelle afkoeling. Als resultaat, het apparaat genereert ultrasnelle lichtpulsen met een duur van slechts 90 picoseconden en een modulatiesnelheid die enkele ordes van grootte sneller is dan conventionele thermische emitters.

De natuurkundigen leggen uit dat de hoge snelheid waarschijnlijk optreedt omdat er twee verschillende soorten fononen zijn (optisch en akoestisch), en de elektronen in grafeen zijn sterk gekoppeld aan de optische fononen maar zwak gekoppeld aan de akoestische fononen. Ander recent werk heeft aangetoond dat elektronen en optische fononen hybride modi vormen op het grafeen-hBN-interface dat bekend staat als plasmon-phonon-polaritonen, die een zeer efficiënte warmteoverdracht in het nabije veld bieden. Samen, de zwakke akoestische fononkoppeling en directe elektronische relaxatie in hBN maken koeling mogelijk met een veel hogere snelheid dan nodig is om warmte uit het systeem over te dragen door geleiding, wat de hoge modulatiesnelheden mogelijk maakt.

De onderzoekers verwachten dat de ultrasnelle grafeen-lichtstralers potentiële toepassingen hebben die verder gaan dan 100 GHz optische communicatie, uitgebreid tot on-chip spectroscopie, fotodetectoren, en plasmonica. De apparaten kunnen ook nuttig zijn als ultrasnelle verwarmers voor het bestuderen van verschijnselen zoals chemische reacties en faseovergangen. Als volgende stap, de onderzoekers zijn van plan om de lichtgevende eigenschappen van de apparaten verder te verbeteren.

"We zijn van plan om zowel de snelheid als de efficiëntie van deze apparaten te verhogen, " zei Hone. "Onze berekeningen geven aan dat de fundamentele snelheid van deze apparaten de 100 GHz moet overschrijden. Op dit moment is de energie-efficiëntie laag, maar er zijn veel technieken die kunnen worden gebruikt om de lichtemissie te verhogen en de warmtestroom te verminderen om de efficiëntie te verbeteren."

© 2018 Fys.org