Om du använder en smartphone, bärbar dator, eller surfplatta, då drar du nytta av forskning inom fotonik, studiet av ljus. Vid University of Delaware, ett team ledd av Tingyi Gu, en biträdande professor i el- och datateknik, utvecklar banbrytande teknik för fotonikenheter som kan möjliggöra snabbare kommunikation mellan enheter och därmed, människorna som använder dem.

Forskargruppen konstruerade nyligen en kiselgrafenenhet som kan sända radiofrekvensvågor på mindre än en pikosekund med en bandbredd under terahertz - det är mycket information, snabb. Deras arbete beskrivs i en ny artikel publicerad i tidskriften ACS Applied Electronic Materials .

"I det här arbetet, vi utforskade bandbreddsbegränsningen för den grafenintegrerade kiselfotoniken för framtida optoelektroniska applikationer, " sa doktoranden Dun Mao, tidningens första författare.

Kisel är en naturligt förekommande, rikligt material som vanligtvis används som halvledare i elektroniska enheter. Dock, forskare har uttömt potentialen hos enheter med halvledare gjorda av endast kisel. Dessa enheter begränsas av silikonets bärarrörlighet, hastigheten med vilken en laddning rör sig genom materialet, och indirekt bandgap, vilket begränsar dess förmåga att släppa ut och absorbera ljus.

Nu, Gus team kombinerar kisel med ett material med gynnsammare egenskaper, 2D-materialet grafen. 2D-material får sitt namn eftersom de bara är ett enda lager av atomer. Jämfört med kisel, grafen har bättre bärarrörlighet och direkt bandgap och möjliggör snabbare elektronöverföring och bättre elektriska och optiska egenskaper. Genom att kombinera kisel med grafen, forskare kanske kan fortsätta använda tekniker som redan används med kiselenheter - de skulle bara fungera snabbare med kombinationen kisel-grafen.

"När man tittar på materialegenskaperna, kan vi göra mer än vad vi jobbar med? Det är vad vi vill ta reda på, " sa doktoranden Thomas Kananen.

För att kombinera kisel med grafen, teamet använde en metod som de utvecklade och beskrev i en artikel publicerad 2018 i npj 2-D Materials and Application. Teamet placerade grafenet på en speciell plats känd som p-i-n-korsningen, ett gränssnitt mellan materialen. Genom att placera grafenen vid p-i-n-korsningen, teamet optimerade strukturen på ett sätt som förbättrar enhetens lyhördhet och hastighet.

Denna metod är robust och skulle lätt kunna tillämpas av andra forskare. Denna process sker på en 12-tums skiva av tunt material och använder komponenter som är mindre än en millimeter vardera. Vissa komponenter tillverkades på ett kommersiellt gjuteri. Annat arbete ägde rum i UD:s Nanofabrication Facility, varav Matt Doty, docent i materialvetenskap och teknik, är regissören.

"UD Nanofabrication Facility (UDNF) är en personalstödd anläggning som gör det möjligt för användare att tillverka enheter på längdskalor så små som 7 nm, vilket är cirka 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår, sade Doty. UDNF, som öppnade 2016, har möjliggjort nya forskningsriktningar inom områden som sträcker sig från optoelektronik till biomedicin till växtvetenskap."

Kombinationen av kisel och grafen kan användas som fotodetektor, som känner av ljus och producerar ström, med mer bandbredd och lägre svarstid än nuvarande erbjudanden. All denna forskning kan bli billigare, snabbare trådlösa enheter i framtiden. "Det kan göra nätverket starkare, bättre och billigare, " sa postdoktor och första författare till npj 2-D Materials and Application-artikeln Tiantian Li. "Det är en nyckelpunkt för fotonik."

Nu funderar teamet på sätt att utöka tillämpningarna av detta material. "Vi tittar på fler komponenter baserade på en liknande struktur, sa Gu.