Als u een smartphone gebruikt, laptop, of tablet, dan profiteer je van onderzoek in fotonica, de studie van het licht. Aan de Universiteit van Delaware, een team onder leiding van Tingyi Gu, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, ontwikkelt geavanceerde technologie voor fotonica-apparaten die snellere communicatie tussen apparaten mogelijk zou kunnen maken en dus, de mensen die ze gebruiken.

De onderzoeksgroep heeft onlangs een silicium-grafeenapparaat ontwikkeld dat radiofrequentiegolven kan verzenden in minder dan een picoseconde met een bandbreedte van minder dan terahertz - dat is veel informatie, snel. Hun werk wordt beschreven in een nieuw artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd ACS toegepaste elektronische materialen .

"In dit werk, we hebben de bandbreedtebeperking van de in grafeen geïntegreerde siliciumfotonica onderzocht voor toekomstige opto-elektronische toepassingen, " zei afgestudeerde student Dun Mao, de eerste auteur van het artikel.

Silicium is een natuurlijk voorkomend, overvloedig materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt als halfgeleider in elektronische apparaten. Echter, onderzoekers hebben het potentieel van apparaten met halfgeleiders die alleen van silicium zijn gemaakt, uitgeput. Deze apparaten worden beperkt door de draaggolfmobiliteit van silicium, de snelheid waarmee een lading door het materiaal beweegt, en indirecte bandgap, wat zijn vermogen om licht vrij te geven en te absorberen beperkt.

Nutsvoorzieningen, Gu's team combineert silicium met een materiaal met gunstigere eigenschappen, het 2D-materiaal grafeen. 2D-materialen krijgen hun naam omdat ze slechts een enkele laag atomen zijn. In vergelijking met silicium, grafeen heeft een betere dragermobiliteit en directe bandgap en zorgt voor snellere elektronentransmissie en betere elektrische en optische eigenschappen. Door silicium te combineren met grafeen, wetenschappers kunnen mogelijk doorgaan met het gebruik van technologieën die al worden gebruikt met siliciumapparaten - ze zouden gewoon sneller werken met de combinatie van silicium en grafeen.

"Als we kijken naar de materiaaleigenschappen, kunnen we meer doen dan waar we mee werken? Dat is wat we willen uitzoeken, ", zegt promovendus Thomas Kananen.

Om silicium te combineren met grafeen, het team gebruikte een methode die ze ontwikkelden en beschreven in een paper gepubliceerd in 2018 in npj 2-D Materials and Application. Het team plaatste het grafeen op een speciale plaats die bekend staat als de p-i-n-overgang, een interface tussen de materialen. Door het grafeen op de p-i-n-junctie te plaatsen, het team optimaliseerde de structuur op een manier die de responsiviteit en snelheid van het apparaat verbetert.

Deze methode is robuust en kan gemakkelijk door andere onderzoekers worden toegepast. Dit proces vindt plaats op een 12-inch wafer van dun materiaal en maakt gebruik van componenten die elk kleiner zijn dan een millimeter. Sommige onderdelen zijn gemaakt in een commerciële gieterij. Ander werk vond plaats in de Nanofabrication Facility van UD, waarvan Matt Doty, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, is de directeur.

"De UD Nanofabrication Facility (UDNF) is een door medewerkers ondersteunde faciliteit die gebruikers in staat stelt apparaten te fabriceren op lengteschalen zo klein als 7 nm, dat is ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar, "zei Doty. "De UDNF, die in 2016 werd geopend, heeft nieuwe onderzoeksrichtingen mogelijk gemaakt op gebieden variërend van opto-elektronica tot biogeneeskunde tot plantenwetenschap."

De combinatie van silicium en grafeen kan worden gebruikt als fotodetector, die licht waarneemt en stroom produceert, met meer bandbreedte en een lagere responstijd dan het huidige aanbod. Al dit onderzoek zou kunnen leiden tot goedkopere, in de toekomst snellere draadloze apparaten. "Het kan het netwerk sterker maken, beter en goedkoper, " zei postdoctoraal medewerker en de eerste auteur van het npj 2-D Materials and Application-artikel Tiantian Li. "Dat is een belangrijk punt van fotonica."

Nu denkt het team na over manieren om de toepassingen van dit materiaal uit te breiden. "We kijken naar meer componenten op basis van een vergelijkbare structuur, " zei Gu.