Twee onderzoeksgroepen van ETH Zürich hebben hun krachten gebundeld om een ​​nieuwe lichtdetector te ontwikkelen. Het bestaat uit tweedimensionale lagen van verschillende materialen die zijn gekoppeld aan een optische golfgeleider van silicium. In de toekomst, deze benadering kan ook worden gebruikt om LED's en optische modulatoren te maken.

Snelle en zeer efficiënte modulatoren en detectoren voor licht zijn de kerncomponenten van gegevensoverdracht via glasvezelkabels. In recente jaren, die bouwstenen voor telecommunicatie op basis van bestaande optische materialen zijn voortdurend verbeterd, maar nu wordt het steeds moeilijker om verdere verbeteringen te realiseren. Dat vergt de gecombineerde krachten van verschillende specialisaties, zoals twee onderzoeksgroepen van ETH Zürich nu hebben aangetoond.

Een groep wetenschappers onder leiding van professoren Jürg Leuthold van het Instituut voor Elektromagnetische Velden en Lukas Novotny van het Instituut voor Fotonica, samen met collega's van het National Institute for Material Science in Tsukuba (Japan), hebben een extreem snelle en gevoelige lichtdetector ontwikkeld op basis van het samenspel tussen nieuwe tweedimensionale materialen en nano-fotonische optische golfgeleiders. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Tweedimensionale materialen

"In onze detector wilden we de voordelen van verschillende materialen benutten en tegelijkertijd hun individuele beperkingen overwinnen, " legt Nikolaus Flöry uit, een doctoraat student in de groep van Novotny. "De beste manier om dat te doen, is door een soort kunstkristal - ook wel heterostructuur genoemd - te fabriceren uit verschillende lagen die elk slechts een paar atomen dik zijn. we waren geïnteresseerd om te weten of al het geroezemoes over dergelijke tweedimensionale materialen voor praktische toepassingen eigenlijk gerechtvaardigd is."

In tweedimensionale materialen, zoals grafeen, elektronen bewegen alleen in een vlak in plaats van drie ruimtelijke dimensies. Dit verandert hun transporteigenschappen grondig, bijvoorbeeld wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd. Hoewel grafeen niet de ideale keuze is voor optische toepassingen, verbindingen van overgangsmetalen zoals molybdeen of wolfraam en chalcogenen zoals zwavel of tellurium (afgekort als TMDC) zijn zeer lichtgevoelig en, Daarbovenop, kan eenvoudig worden gecombineerd met optische golfgeleiders van silicium.

Samenspel van verschillende benaderingen

De expertise voor de golfgeleiders en high-speed opto-elektronica kwam van de onderzoeksgroep van Jürg Leuthold. Ping mama, de senior wetenschapper van de groep, benadrukt dat het de wisselwerking tussen de twee benaderingen was die de nieuwe detector mogelijk maakte:"Het begrijpen van zowel de tweedimensionale materialen als de golfgeleiders waardoor licht in de detector wordt geleid, was van fundamenteel belang voor ons succes. Samen, we realiseerden ons dat tweedimensionale materialen bijzonder geschikt zijn om te worden gecombineerd met siliciumgolfgeleiders. De specialisaties van onze groepen vulden elkaar perfect aan."

De onderzoekers moesten een manier vinden om de normaal vrij trage TMDC-gebaseerde detectoren sneller te maken. Anderzijds, de detector moest optimaal worden gekoppeld aan de siliciumstructuren die als interface worden gebruikt zonder zijn hoge snelheidsprestaties op te offeren.

Snelheid door verticale structuur

"We hebben het snelheidsprobleem opgelost door een verticale heterostructuur te realiseren gemaakt van een TMDC - molybdeen ditelluride in ons geval - en grafeen, " zegt Flöry. Anders dan conventionele detectoren, op die manier hoeven elektronen die worden geëxciteerd door invallende lichtdeeltjes niet eerst door het grootste deel van het materiaal te gaan voordat ze worden gemeten. In plaats daarvan, de tweedimensionale laag van TMDC zorgt ervoor dat elektronen in zeer korte tijd het materiaal zowel naar boven als naar beneden kunnen verlaten.

Hoe sneller ze vertrekken, hoe groter de bandbreedte van de detector. De bandbreedte geeft aan op welke frequentie data gecodeerd in lichtpulsen kan worden ontvangen. "We hadden gehoopt een paar Gigahertz bandbreedte te krijgen met onze nieuwe technologie - uiteindelijk we hebben eigenlijk 50 Gigahertz bereikt, " zegt Flöry. Tot nu toe, bandbreedtes van minder dan een Gigahertz waren mogelijk met op TMDC gebaseerde detectoren.

Optimal light coupling, on the other hand, was achieved by integrating the detector into a nano-photonic optical waveguide. A so-called evanescent wave, which laterally protrudes from the waveguide, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

Daar, they excite electrons that are eventually detected as a current. The integrated waveguide design ensures that enough light is absorbed in that process.

Technology with multiple possibilities

The ETH researchers are convinced that with this combination of waveguides and heterostructures they can make not just light detectors, but also other optical elements such as light modulators, LEDs and lasers. "The possibilities are almost limitless, " Flöry and Ma enthuse about their discovery. "We just picked out the photodetector as an example of what can be done with this technology."

In de nabije toekomst, the scientists want to use their findings and investigate other two-dimensional materials. About a hundred of them are known to date, which gives countless possible combinations for novel heterostructures. Bovendien, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.