Hyperspektral avbildning använder hela ljusspektrumet för att ge detaljerade insikter om naturen och dess beteende. Dessa insikter öppnar ett område för många tillämpningar, inklusive autonom körning, miljöövervakning, hälsovård, rymdutforskning eller till och med jordbruk och livsmedelsförädling.
Avbildning från infraröd till terahertz-regimen utgör en teknisk utmaning eftersom den kräver enheter som är tillräckligt effektiva och känsliga över hela spektrumet.
Hittills är de enda som delvis uppfyller förväntningarna fotoledarmatriser baserade på kvicksilverkadmiumtelluridelement. Även om detta är den mest lämpliga tekniken som finns tillgänglig för närvarande, är deras prestandaeffektivitet vid detektering av ljus inte särskilt bredbandig eftersom de tenderar att vara effektiva absorbatorer för vissa våglängder men presterar sämre för andra och de har helt enkelt inte förmågan att detektera de längsta våglängderna av ljus i terahertzregimen, som blir mer och mer relevant för tekniken.
Som Frank Koppens, motsvarande författare till studien, nämner:"Vridning av tvådimensionella material som grafen har revolutionerat området för kvantmaterial, drivet av upptäckten av okonventionell supraledning. Men nyligen har vi också kunnat se att det är en plattform för ett brett spektrum av applikationer, på grund av dess unika och mycket inställbara egenskaper."
Därför har tvåskiktsgrafen (BLG) under de senaste åren visat sig vara en imponerande fotodetektor när den är partisk med externa elektriska fält, även om ljusabsorptionen är ganska begränsad på grund av dess 2D-natur. Intressant nog är BLG kompatibel med den befintliga kiselteknologin, ett måste för att introduceras på marknaden.
Behovet av att applicera elektriska fält innebär dock enorma svårigheter med att skala upp tillverkningen i tre dimensioner, vilket skulle vara nödvändigt för att övervinna problemet med låg absorption av BLG.
Twisted "dubbel" tvålagers grafenenheter (TDBG), å andra sidan, har dykt upp som ett unikt material som kan undvika dessa restriktioner. TDBG är gjord av två lager grafenstaplar roterade eller vridna med en stor vinkel (15 grader) som nyligen har visat sig skapa sitt eget elektriska fält utan behov av extra elektroder som komplicerar tillverkningen vid BLG.
Detta har öppnat möjligheter för bredbandsdetektering i ett skalbart system, men hittills har ljusdetektionskapaciteten hos TDBG inte testats.
I en studie publicerad i Nature Photonics , rapporterar forskare om utvecklingen av en ny TDBG ultrabredbandsfotodetektor som kan detektera ljus mycket effektivt i ett spektralområde som sträcker sig från långt terahertz (100 μm våglängd, motsvarande 3 THz) hela vägen till nära infrarött (2) μm våglängd eller 150 THz) och med en bra kontinuerlig effektivitet i hela området, utan några luckor.
ICFO-forskarna Hitesh Agarwal &Krystian Nowakowski leddes av postdoc-forskaren Dr Roshan Krishna Kumar och ICREA Prof. vid ICFO Frank Koppens. De arbetade i samarbete med ICREA Prof. Adrian Bachtolds grupp vid ICFO, gruppen av prof. Giacomo Scalari från ETH Zürich och forskare vid University of Manchester, NIMS i Japan och CNRS i Frankrike.
Ultrabredbandsfotodetektorn har visat sig ha en god intern kvanteffektivitet, en förbättring av fotokonduktiviteten genom mellanskiktsskärmning och skalbarhet av TDBG eftersom inga grindar behövs för att applicera det elektriska fältet för att få det elektroniska bandgapet.
I sitt experiment genomförde forskarna en grundlig och begriplig studie av fotorespons i TDBG. De tillverkade flera enheter av TDBG och studerade deras fotokonduktivitet, dvs hur deras elektriska motstånd förändras under belysning.
Som första medförfattare Krystian Nowakowski kommenterar, "idén med detta experiment uppstod efter att ha läst en studie där forskare hade hittat ett litet elektroniskt bandgap i vridet dubbelskiktsgrafen (TDBG) utan att behöva applicera ett externt elektriskt fält, det vill säga vanligtvis nödvändigt för att öppna ett elektroniskt bandgap i den gemensamma stapeln av tvåskiktsgrafen (BLG)."
"Närvaron av ett bandgap gör tvåskiktsgrafen till en bra detektor för ljus, men behovet av att applicera externt elektriskt fält är en barriär för tillämpningar på grund av komplexiteten i att skala upp tillverkningen för industriella tillämpningar." Efter att ha undersökt litteraturen såg de att ingen någonsin hade testat detta med "dubbel" BLG, eller TDBG.
Så teamet satte alla sina ansträngningar i full rörelse för att förbereda experimentet. Som Hitesh Agarwal, första medförfattare, minns "att göra TDBG-prover är inte en trivial uppgift. Vi började från att exfoliera grafenflingor, fortsatte denna process tills vi kunde hitta en tillräckligt stor flinga av tvåskiktsgrafen. Sedan skar vi flingorna på mitten med en mikromanipulator, plocka upp en av halvorna, rotera den 15 grader och stapla den på den andra för att skapa en TDBG-stack."
Dessa enheter kyldes sedan ner till 4 kelvin temperatur, för att utföra exakta mätningar av elektriskt motstånd. Under belysning av medelinfrarött ljus såg de att motståndet sjönk avsevärt, vilket ledde till möjligheten att använda dessa enheter som fotodetektorer.
Kreativitet i forskning
Efter flera månaders intensivt arbete med experimentet var teamet tvunget att söka efter logistik och experimentella alternativ för att övervinna de restriktioner som infördes av den plötsliga avstängningen 2020 för att fortsätta studien, som inkluderade fjärrkontroll av utrustningen för att fortsätta mätningar under pandemier.
Teamet arbetade mödosamma timmar för att ställa in experimentet, mäta så mycket som möjligt för att låta dem samla in och förstå vilken typ av data de fick och vad det faktiskt betydde. "En av de stora utmaningarna vi stod inför var att faktiskt förstå ursprunget till den stora responsen och jämföra den på ett tillförlitligt sätt med kommersiell teknologi", minns Roshan Krishna Kumar.
Efter många månader av att analysera data, fastställa vad som måste mätas och varför, lära sig att skilja mellan olika hypoteser och komma på nya idéer som kan underlätta att få resultat, kunde de äntligen kvantifiera den interna kvanteffektiviteten – indikatorn på bråkdel av de absorberade fotonerna som omvandlas till den uppmätta förändringen i elektrisk ström – och fann att effektiviteten för större delen av spektrumområdet var lika med eller över 40 %, vilket är ett bra värde och mycket lovande i kombination med den ultrabred spektralen räckvidd och skalbarhet för TDBG.
Efter de första mätningarna insåg forskarna att fotodetektorn kunde ha långvågskapacitet som sträcker sig ner till 2 THz efter att de karakteriserat det inre bandgapet för TDBG, som ställer in gränsfrekvensen för deras detektorer.
Motiverad av detta frestande perspektiv flög Hitesh Agarwal till Schweiz för att utföra mätningar i Giacomo Scalaris labb, som är experter på terahertz-teknologier och starka samarbetspartners med ICFO under projektet PhotoTBG. Med hjälp av sina skräddarsydda bredbandsmätningsuppsättningar visade de det ultrabreda våglängdsintervallet som rapporterades i studien.
Forskarna fokuserade sedan på att förstå den fysiska mekanismen bakom den uppmätta signalen. Efter lång brainstorming med prof. Frank Koppens fann vi att responsen mest beror på den fotokonduktiva effekten, där fotoner påverkar resistansen genom att skapa fler elektron-hålspar direkt. snarare än den bolometriska effekten där fotoner värmer upp provet och som indirekt påverkar motståndet genom temperaturförändringen."
Resultaten av denna studie visar att de beskrivna metoderna och resultaten kan fungera som en vägledning och ett riktmärke för andra forskare som använder ljus för att studera dessa mycket intressanta vridna material.
Förklaringen av konduktivitetsförbättring genom screening mellan skikt, metoden för att skilja mellan bolometrisk och fotokonduktiv respons och den föreslagna idén om 3-dimensionell stapling kan mycket väl användas som grund för vidare forskning om andra tvådimensionella material.
Mer information: H. Agarwal et al, Ultrabredbandsfotokonduktivitet i vridna grafenheterostrukturer med stor responsivitet, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01291-0
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av ICFO
