Forskare upptäckte ett nytt sätt att konstruera optoelektroniska enheter genom att sträcka ett tvådimensionellt material ovanpå en fotonisk kiselplattform. Med denna metod, myntade strainoptronics av ​​ett team ledd av George Washington University professor Volker Sorger, forskarna visade för första gången att ett 2D-material lindat runt en fotonisk vågledare av kisel i nanoskala skapar en ny fotodetektor som kan arbeta med hög effektivitet vid den teknologikritiska våglängden på 1550 nanometer.

Sådan ny fotodetektion kan främja framtida kommunikations- och datorsystem, särskilt inom framväxande områden som maskininlärning och artificiella neurala nätverk.

Den ständigt ökande efterfrågan på data i moderna samhällen kräver en mer effektiv omvandling av datasignaler i den optiska domänen, från fiberoptiskt internet till elektroniska enheter, som en smartphone eller bärbar dator. Denna omvandlingsprocess från optiska till elektriska signaler utförs av en fotodetektor, en kritisk byggsten i optiska nätverk.

2D-material har vetenskapliga och tekniskt relevanta egenskaper för fotodetektorer. På grund av deras starka optiska absorption, att designa en 2D-materialbaserad fotodetektor skulle möjliggöra en förbättrad fotokonvertering, och därmed effektivare dataöverföring och telekommunikation. Dock, 2D halvledande material, såsom de från familjen av övergångsmetalldikalkogenider, ha, än så länge, inte kunnat fungera effektivt vid telekommunikationsvåglängder på grund av deras stora optiska bandgap och låga absorption.

Strainoptronics tillhandahåller en lösning på denna brist och lägger till ett ingenjörsverktyg för forskare för att modifiera de elektriska och optiska egenskaperna hos 2D-material, och därmed de banbrytande 2D-materialbaserade fotodetektorerna.

Att inse potentialen med strainoptronics, forskarna sträckte ut ett ultratunt lager av molybdentellurid, en 2-D material halvledare, ovanpå en fotonisk kiselvågledare för att montera en ny fotodetektor. De använde sedan sin nyskapade strainoptronics "kontrollratt" för att ändra dess fysiska egenskaper för att krympa det elektroniska bandgapet, låter enheten arbeta vid nära infraröda våglängder, nämligen vid den telekommunikations (C-band) relevanta våglängden runt 1550 nm.

Forskarna noterade en intressant aspekt av deras upptäckt:mängden påkänning som dessa halvledarmaterial kan bära är betydligt högre jämfört med bulkmaterial för en viss mängd stam. De noterar också att dessa nya 2D-materialbaserade fotodetektorer är 1, 000 gånger känsligare jämfört med andra fotodetektorer som använder grafen. Fotodetektorer med en sådan extrem känslighet är användbara inte bara för datakommunikationstillämpningar utan också för medicinsk avkänning och möjligen även kvantinformationssystem.

"Vi hittade inte bara ett nytt sätt att konstruera en fotodetektor, men upptäckte också en ny designmetod för optoelektroniska enheter, som vi kallade "strainoptronics". Dessa enheter har unika egenskaper för optisk datakommunikation och för framväxande fotoniska artificiella neurala nätverk som används i maskininlärning och AI, sade Volker Sorger, docent i el- och datateknik vid GW

"Intressant, till skillnad från bulkmaterial, tvådimensionella material är särskilt lovande kandidater för töjningsteknik eftersom de kan motstå större mängder belastning innan bristning. Inom en snar framtid, vi vill applicera belastning dynamiskt på många andra tvådimensionella material i hopp om att hitta oändliga möjligheter att optimera fotoniska enheter, avslutade Rishi Maiti, postdoktor vid el- och datateknikavdelningen på GW