Forskare har löst ett problem som hindrar utvecklingen av mycket känsliga optiska enheter gjorda av ett material som kallas grafen, ett framsteg som kan föra applikationer från bildbehandling och bildskärmar till sensorer och höghastighetskommunikation.

Grafen är ett extremt tunt lager av kol som är lovande för optoelektronik, och forskare försöker utveckla grafenbaserade fotodetektorer, enheter som är avgörande för många tekniker. Dock, typiska fotodetektorer gjorda av grafen har bara en liten yta som är känslig för ljus, begränsa deras prestanda.

Nu, Forskare har löst problemet genom att kombinera grafen med ett jämförelsevis mycket större kiselkarbidsubstrat, skapa grafen fälteffekttransistorer, eller GFET, som kan aktiveras av ljus, sa Yong Chen, en Purdue University professor i fysik och astronomi och el- och datorteknik, och chef för Purdue Quantum Center.

Högpresterande fotodetektorer kan vara användbara för applikationer inklusive höghastighetskommunikation och ultrakänsliga kameror för astrofysik, samt avkänningsapplikationer och bärbar elektronik. Arrays av de grafenbaserade transistorerna kan ge högupplöst bildbehandling och skärmar.

"I de flesta kameror behöver du många pixlar, sa Igor Jovanovic, professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid University of Michigan. "Dock, vårt tillvägagångssätt skulle kunna möjliggöra en mycket känslig kamera där du har relativt få pixlar men ändå har hög upplösning."

Nya rön är detaljerade i en forskningsartikel som visas denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik . Arbetet utfördes av forskare vid Purdue, University of Michigan och Pennsylvania State University.

"I typiska grafenbaserade fotodetektorer som visats hittills, fotoresponsen kommer bara från specifika platser nära grafen över ett område som är mycket mindre än enhetens storlek, " sa Jovanovic. "Men, för många optoelektroniska enhetstillämpningar, det är önskvärt att få fotorespons och positionskänslighet över ett mycket större område."

Nya fynd visar att enheten är lyhörd för ljus även när kiselkarbiden är upplyst på avstånd långt från grafenet. Prestandan kan ökas med så mycket som 10 gånger beroende på vilken del av materialet som är upplyst. Den nya fototransistorn är också "positionskänslig, "det betyder att det kan bestämma platsen från vilken ljuset kommer, vilket är viktigt för avbildningstillämpningar och för detektorer.

"Detta är första gången någon har demonstrerat användningen av en liten bit grafen på en stor skiva av kiselkarbid för att uppnå icke-lokal fotodetektion, så att ljuset inte behöver träffa själva grafenet, " sa Chen. "Här, ljuset kan falla in på ett mycket större område, nästan en millimeter, vilket inte har gjorts tidigare."

En spänning appliceras mellan baksidan av kiselkarbiden och grafenen, sätta upp ett elektriskt fält i kiselkarbiden. Inkommande ljus genererar "fotobärare" i kiselkarbiden.

"Halvledaren tillhandahåller media som interagerar med ljus, "Sa Jovanovic." När ljuset kommer in, en del av enheten blir ledande och det förändrar det elektriska fältet som verkar på grafen. "

Denna förändring i det elektriska fältet ändrar också ledningsförmågan hos grafen själv, som upptäcks. Tillvägagångssättet kallas fälteffektfotodetektion.

Kiselkarbiden är "o-dopad, " till skillnad från konventionella halvledare i kiselbaserade transistorer. Att vara odopat gör materialet till en isolator om det inte utsätts för ljus, vilket tillfälligt gör att den blir delvis ledande, ändra det elektriska fältet på grafen.

"Detta är en nyhet i detta arbete, " sa Chen.

Forskningen är relaterad till arbetet med att utveckla nya grafenbaserade sensorer designade för att detektera strålning och finansierades med ett gemensamt anslag från National Science Foundation och USA:s Department of Homeland Security och ytterligare ett anslag från Defense Threat Reduction Agency.

"Detta papper handlar om en sensor för att upptäcka fotoner, men principerna är desamma för andra typer av strålning, ", sa Chen. "Vi använder den känsliga grafentransistorn för att upptäcka det förändrade elektriska fältet som orsakas av fotoner, ljus i detta fall, interagerar med ett kiselkarbidsubstrat."

Ljuddetektorer kan användas i enheter som kallas scintillatorer, som används för att upptäcka strålning. Joniserande strålning skapar korta ljusblixtar, som i scintillatorer detekteras av enheter som kallas fotomultiplikatorrör, en ungefär sekelgammal teknik.

"Så det finns ett stort intresse för att utveckla avancerade halvledarbaserade enheter som kan uppnå samma funktion, " sa Jovanovic.

Uppsatsen skrevs av tidigare Purdue postdoktorala forskningsassistent Biddut K. Sarker; tidigare Penn State doktorand Edward Cazalas; Purdue doktorand Ting-Fung Chung; tidigare Purdue doktorand Isaac Childres; Jovanovic; och Chen.

Forskarna förklarade också sina resultat med en beräkningsmodell. The transistors were fabricated at the Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park.

Future research will include work to explore applications such as scintillators, imaging technologies for astrophysics and sensors for high-energy radiation.