(Phys.org) – Forskare har funnit att en snöflingaliknande fraktal design, där samma mönster upprepas i mindre och mindre skalor, kan öka grafens inneboende låga optiska absorption. Resultaten leder till grafenfotodetektorer med en ökning av fotospänningen i storleksordningen, tillsammans med ultrasnabb ljusdetektion och andra fördelar.

Forskarna, från Purdue University i Indiana, inkluderar doktorander Jieran Fang och Di Wang, som vägleddes av professorerna Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, och Vlad Shalaev, tillsammans med sina medarbetare från professor Yong P. Chens grupp. Teamet har publicerat ett papper om den nya grafenfotodetektorns fraktala designen i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

Fotodetektorer är enheter som upptäcker ljus genom att omvandla fotoner till en elektrisk ström. De har en mängd olika applikationer, inklusive i röntgenteleskop, trådlösa möss, TV fjärrkontroller, robotsensorer, och videokameror. Nuvarande fotodetektorer är ofta gjorda av kisel, germanium, eller andra vanliga halvledare, men nyligen har forskare undersökt möjligheten att göra fotodetektorer av grafen.

Även om grafen har många lovande optiska och elektriska egenskaper, såsom uniform, optisk ultrabredbandsabsorption, tillsammans med ultrasnabb elektronhastighet, det faktum att den bara är en enda atom tjock ger den en i sig själv låg optisk absorption, vilket är dess stora nackdel för användning i fotodetektorer.

För att ta itu med grafens låga optiska absorption, Purdue-forskarna designade en fotodetektor av grafen med guldkontakter i form av en snöflingaliknande fraktal metayta. De visade att fraktalmönstret gör ett bättre jobb med att samla fotoner över ett brett spektrum av frekvenser jämfört med en vanlig guld-grafenkant, vilket gör det möjligt för den nya designen att generera 10 gånger mer fotospänning.

Den nya grafenfotodetektorn har flera andra fördelar, som att det är känsligt för ljus av vilken polarisationsvinkel som helst, vilket är i motsats till nästan alla andra plasmoniskt förstärkta grafenfotodetektorer där känsligheten är polarisationsberoende. Den nya grafenfotodetektorn har också bredband, förbättrar ljusdetektion över hela det synliga spektrumet. Dessutom, på grund av grafens inneboende snabba elektronhastighet, den nya fotodetektorn kan upptäcka ljus mycket snabbt.

"I det här arbetet, vi har löst ett avgörande problem med att förbättra den i sig självt låga känsligheten i grafenfotodetektorer över ett brett spektralområde och på ett polarisationsokänsligt sätt, med hjälp av en intelligent självliknande design av en plasmonisk fraktal metayta, " berättade Wang Phys.org . "Så vitt vi vet, dessa två attribut uppnåddes inte i tidigare rapporterade plasmoniskt förbättrade grafenfotodetektorer."

Forskarna förklarade att dessa egenskaper direkt kan hänföras till fraktalmönstret.

"Vår föreslagna fraktala metayta har den unika förmågan att stödja plasmoniska resonanser (fria elektronoscillationer) över ett brett spektralområde på ett polarisationsokänsligt sätt på grund av dess komplexa och mycket hexagonalt symmetriska geometri, ", sa Kildishev. "Tidigare rapporterade plasmoniskt förstärkta grafenfotodetektorer använder enklare smalbands- och polarisationskänsliga strukturer, och därför är förbättringen också smalbandig och polarisationskänslig."

Som tidigare forskning har visat, Anledningen till att ett fraktalt mönster kan förbättra den optiska absorptionen är att den fraktala metaytan skapar ytterligare resonanser, med mängden resonans som ökar när antalet fraktala nivåer ökar. Dessutom, forskarna här fann att den fraktala metaytan begränsar och förstärker det elektriska fältet hos ljuset som träffar ytan. Detta leder i slutändan till en högre fotospänning som genereras i grafenfotodetektorn.

Som Kildishev förklarade mer i detalj, det finns två huvudmekanismer för att inducera fotospänning i en grafenbaserad fotodetektor:den fotovoltaiska effekten och den fototermoelektriska effekten. Den fotovoltaiska effekten använder det inbyggda elektriska fältet som induceras av olika dopade områden i grafen för att separera de optiskt exciterade elektronhålsparen i grafen. Den fototermoelektriska effekten driver de fria elektronerna i grafen över regioner med olika termoelektriska krafter (Seebeck-koefficienter), ges en temperaturgradient mellan de två regionerna.

Den fraktala metaytan förstärker båda effekterna i grafenfotodetektorer genom att öka det elektriska fältets intensitet och genom uppvärmning via infallande ljus i mycket trånga utrymmen.

"Den fraktala metaytan förstärker fotospänningen genom att använda plasmonisk resonans - fria elektronoscillationer i guld under excitation av ljus, " sa Kildishev. "Detta begränsar sedan den elektromagnetiska energin till ultrasmå volymer, genererar överdrivna elektron-hål-par i grafen som sedan separeras av den fotovoltaiska effekten. Det infallande ljuset värmer också upp den plasmoniska strukturen för att skapa en stor temperaturgradient över metall/grafengränssnittet, ger upphov till en starkare fototermoelektrisk respons."

I framtiden, forskarna planerar att utforska de potentiella tillämpningarna av grafenfotodetektorer, som kan sträcka sig bortom fotodetektion till fotoskörd, med applikationer som solceller och optisk uppvärmning. Teknologier som kräver ett snabbt svar kan också uppleva betydande förbättringar på grund av grafenfotodetektorns snabba drifthastighet.

"En stor egenskap hos den fotovoltaiska/fototermoelektriska grafendetektorn är att den reagerar på ljus i en extremt snabb hastighet, tack vare den ultrasnabba elektronrörelsehastigheten (fotovoltaisk effekt) och den ultrakorta tid elektronerna behöver för att ge bort värme (fototermoelektrisk effekt) i grafen, "Wang sa. "En sådan svarshastighet är oöverträffad av andra fotodetektionsmaterial.

"Plasmonisk förbättring har varit känd för att offra den ultrasnabba svarshastigheten i mindre utsträckning. Därför, plasmoniskt förbättrade grafenfotodetektorer är lovande för helt optisk modulatoravläsning och andra applikationer där svarshastighet är nyckeln. Dessutom, grafen har noll (eller avstämbar) bandgap och enhetlig optisk absorption i hela det elektromagnetiska spektrumet. Därför, grafenfotodetektorer kan i princip användas för att detektera ljus av vilken frekvens som helst med identisk känslighet, vilket återigen saknar motstycke från andra detektorer gjorda av andra fotodetektionsmaterial."

© 2017 Phys.org