Vänster) Schematisk representation av den centrala delen av den grafenbaserade THz-fotodetektorenheten, som innehåller den hBN-inkapslade grafenkanalen, ovanpå den smala antennstrukturen. Genom att applicera distinkta spänningar till vänster och höger antenngrenar, en pn-korsning skapas i grafenkanalen med ojämna Seebeck-koefficienter till vänster och höger om korsningen. Infallande ljus fokuseras av antennen ovanför gapet, vilket är där fotoresponsen genereras. (Höger) Mätning av ett THz-fokus, erhålls genom att skanna THz-detektorn i fokusplanet. Observationen av flera ringar av det luftiga mönstret indikerar detektorns höga känslighet. Kredit:ICFO
I en nyligen genomförd studie, Forskare utvecklade en ny grafenaktiverad fotodetektor som fungerar vid rumstemperatur, är mycket känslig, snabb, har ett brett dynamiskt omfång, och täcker ett brett spektrum av THz-frekvenser. Forskarna har uppnått en gedigen förståelse för hur PTE-effekten ger upphov till ett THz-inducerat fotosvar, vilket är värdefullt för ytterligare detektoroptimering.
Att upptäcka terahertz (THz) ljus är extremt användbart av två huvudskäl:För det första, THz-teknik håller på att bli ett nyckelelement i applikationer när det gäller säkerhet (som flygplatsskannrar), trådlös datakommunikation och kvalitetskontroll, för att bara nämna några. Dock, nuvarande THz-detektorer har begränsningar, inklusive att samtidigt uppfylla kraven på känslighet, fart, spektralområde, och arbetar vid rumstemperatur. Andra, terahertzljus är en mycket säker typ av strålning på grund av dess lågenergifotoner, med mer än 100 gånger lägre energi än fotoner i området för synligt ljus.
Grafenbaserade material är användbara för att detektera ljus. Grafen har inget bandgap, jämfört med standardmaterial som används för fotodetektion, såsom kisel. Bandgapet i kisel förhindrar absorption, och därmed upptäckt, av infallande ljus med våglängder längre än en mikron. I kontrast, för grafen, även terahertzljus med en våglängd på hundratals mikron kan absorberas och detekteras. Hz-detektorer baserade på grafen har visat lovande resultat, men ingen är ännu så effektiv som kommersiellt tillgängliga detektorer när det gäller hastighet och känslighet.
I en nyligen genomförd studie, ICFO-forskarna Sebastián Castilla och Dr Bernat Terres, ledd av ICREA Prof. vid ICFO Frank Koppens och tidigare ICFO-forskare Dr. Klaas-Jan Tielrooij, och ett internationellt samarbete av forskare, har kunnat övervinna dessa utmaningar. De har utvecklat en ny grafenaktiverad fotodetektor som fungerar vid rumstemperatur, och är mycket känslig, snabb, har ett brett dynamiskt omfång, och täcker ett brett spektrum av THz-frekvenser.
I deras experiment, forskarna optimerade fotoresponsmekanismen för en THz-fotodetektor. De integrerade en dipolantenn i detektorn för att koncentrera det infallande THz-ljuset runt antenngapområdet. Genom att tillverka ett 100 nanometers antenngap, de kunde erhålla en stor intensitetskoncentration av THz infallande ljus i den fotoaktiva regionen av grafenkanalen. De observerade att ljuset som absorberas av grafenet skapar heta bärare vid en pn-korsning i grafen; senare, de ojämna Seebeck-koefficienterna i p- och n-regionerna producerar en lokal spänning och en ström genom enheten och genererar ett mycket stort fotosvar, vilket leder till en mycket känslig, höghastighetsvarsdetektor med ett brett dynamiskt område och en bred spektral täckning.
Resultaten av denna studie skulle kunna bidra till utvecklingen av ett helt digitalt lågpriskamerasystem lika billigt som kameran inuti smartphonen, eftersom en sådan detektor har mycket låg strömförbrukning och är helt kompatibel med CMOS-teknik.
