Högpresterande aktiva terahertz (THz) modulatorer är av stor betydelse för nästa generations kommunikationsteknik. Men de lider för närvarande av kompromissen mellan moduleringsdjup och hastighet.
Tvådimensionella (2D) material med unika fysikaliska egenskaper såsom starka ljus-materia-interaktioner, atomärt tunn profil och snabb rekombination av bärare, skulle kunna erbjuda en spännande plattform för att undersöka optoelektroniska enheter inom grundläggande fysik. Därför är det angeläget att hitta de fördelaktiga 2D-materialen som ökar enhetens prestanda.
Det framväxande mono-elemental 2D tellurium (Te) är ett spännande nytt alternativ. Detta material, med en unik spiralformad kedjestruktur, har lovande egenskaper, såsom ett lagerberoende bandgap, extraordinärt hög bärarrörlighet, en stark optisk respons och god luftstabilitet.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Application , ett team av forskare, ledd av professor Qingli Zhou från Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education och Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Theory and Technology, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institutet of Physics, Chinese Academy of Sciences, Kina och medarbetare har utvecklat Te-baserade THz-modulatorer för att framgångsrikt främja enhetens prestanda till optimala och tillämpliga nivåer bland de befintliga 2D-bredbandsmodulatorerna.
Forskarna fann att te nanofilmerna kan uppnå högt moduleringsdjup på en pikosekunds tidsskala och visar ett ultrakänsligt svar under låg pumpexcitation. Kombinerat med all-2D heterostrukturdesign och substratteknik kan parameteroptimeringen av enheten realiseras. Därför uppvisar deras tillverkade heteroövergång med staplingsordningen Ge/Te det ultrahöga moduleringsdjupet och den kortlivade bärarlivslängden tillsammans med egenskaperna med låg förlust och bred bandbredd.
Ytterligare fotoresponsexperiment uppvisar den uppenbara korrigeringseffekten i Ge/Te på grund av gränssnittsbarriären. För att utforska den observerade signifikanta effekten av staplingsordning, beräknade teamet riktningen för det substratinducerade elektriska fältet och avslöjade dess ovanliga interaktionsmekanism i den fotoexciterade bärardynamiken som är förknippad med laddningsöverföringen och interlagerexcitonrekombinationen.
Deras resultat skulle kunna ge en mer omfattande förståelse för den interna mekanismen för ultrasnabb laddningsöverföring och excitondynamik i helt 2D-heterostrukturer, vägleda designen av heterogränssnitt och föreställa sig en ny klass av energieffektiva, höghastighets-, låga insättningsförluster och bredbandsavstämbara THz fotoniska enheter.
De högpresterande THz-modulatorerna är centrerade kring Ten nanofilm och dess heteroövergångar för att lösa problemet med kompromissen mellan moduleringsdjup och hastighet. Dessutom har de funnit att staplingsordningen av material har en uppenbar inverkan på moduleringsegenskapen. Beräkningen och analysen klargör att det effektiva fältet hos substratet konstruerar bandstrukturen för det heterogena gränssnittet genom staplingsordningen, och därmed kan de optiska transienta beteendena regleras.
"Vi introducerar 2D-tenanofilmer med den unika strukturen som en ny klass av optiskt styrda THz-modulatorer och visar att deras integrerade heterojunctions framgångsrikt kan förbättra enhetens prestanda till de optimala och tillämpliga nivåerna bland de befintliga all-2D bredbandsmodulatorerna.
"Ytterligare fotoresponsmätningar bekräftar den betydande inverkan av staplingsordningen. Vi klargör först riktningen för det substratinducerade elektriska fältet genom beräkningar av första principer och avslöjar den ovanliga interaktionsmekanismen i den fotoexciterade bärardynamiken som är associerad med laddningsöverföringen och interlagerexcitonrekombinationen .
"Våra resultat visar att de Te-baserade all-2D vdW heterojunctions med substratteknik kan förbättra enhetens prestanda anmärkningsvärt och öppna upp en ny idé för design, optimering och tillämpning av de optiskt styrda högeffektiva THz-modulatorerna," säger forskarna.
"Vi tror att resultaten i detta arbete inte bara är av stort intresse på en grundläggande nivå utan också ger vägledning för framtida design och utveckling av högpresterande THz-modulatorer baserade på funktionella nanomaterial," sa forskarna.
Mer information: Pujing Zhang et al, högpresterande terahertz-modulatorer inducerade av substratfält i Te-baserade helt 2D heterojunctions, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01393-6
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
