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提升基于扭变两双层石墨烯的超宽带光电探测设计
发布时间:2023-11-06 18:48:06 阅读:416

来源:欧洲光学研究所(ICFO);太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

扭变两双层石墨烯设计的艺术图象,它能够覆盖检测整个光谱。
来源:欧洲光学研究所(ICFO)
供图:M.切坎蒂 (M. Ceccanti)

    高光谱成像采用光线的全光谱来详细探索自然界及其表现行为,其敏锐的洞察力为多种领域的应用开辟了崭新的途径,例如:自动驾驶、环境监测、医疗保健、太空探索,甚至农业和食品加工。

    从红外到太赫兹范围的成像带来的是一种技术的挑战,因为这需要研发足够高效与灵敏的设计,才能使其覆盖整个光谱。

    到目前为止,唯一能部分达成预期的设计是基于碲化汞镉元素的光电导体阵列。尽管这是目前最可行、最合适的技术,但其检测光领域的性能效率却无法覆盖宽带,因为它们往往能较好吸收某些波长的光,而对其他波长的光表现欠佳,并且它们根本不具备检测太赫兹范围内最长波长光的能力,而这却与当前技术的联系日益密切。

    正如该研究的通讯作者Frank Koppens所提到的,“由于发现了非常规超导性,扭变例如石墨烯这样的二维材料,已经彻底改变了量子材料领域。但最近,我们也看到,因为其独特且高度可调的特性,它将成为一个被广泛应用的平台。”

    因此,在过去的几年里,研究人员已经证明,双层石墨烯(BLG)在外部电场偏置时,是表现良好的光电探测器,尽管由于其2D性质,光吸收相当有限。有趣的是,BLG符合现有的硅技术条件,这也是进入市场的必要条件。

    然而,在放大规模进行三维设计的过程中需要应用的电场,这却面临着很大的困难。如何解决这些困难,对于克服BLG的低吸收问题是至关重要的一步。

    新的设计

    另一方面,扭变“两”双层石墨烯的设计(TDBG)已成为一种独特的材料,它却可以避免这些限制。TDBG是由两个旋转或扭曲的大角度(15度)双层石墨烯堆叠体制成,最近的研究已经证明,它们可以产生自己的内部自生电场,而不需要导致BLG设计复杂化的额外电极。

    这种设计为可扩展升级系统中宽带检测的应用开辟了前景。然而,到目前为止,TDBG的光检测能力尚未得到测试。

    在《自然光子》杂志最新发表的一项研究中,研究人员报告了一种新型TDBG超宽带光电探测器的开发过程。该探测器能够非常有效地探测从远太赫兹(100μm波长,相当于3 THz)到近红外(2μm波长或150 THz)的光谱范围内的光,并且在所有范围内都具有良好的连续效率,没有产生任何间隙。

    由欧洲光学研究所(ICFO)博士后研究员Roshan Krishna Kumar与ICREA教授Frank Koppens领导下的联合研究团队包括来自ICFO的Hitesh Agarwal和Krystian Nowakowski,ICREA教授Adrian Bachtell的团队、苏黎世联邦理工学院Giacomo Scalari教授团队以及曼彻斯特大学、日本NIMS和法国CNRS的研究人员。

    超宽带光电探测器已被证明具有良好的内部量子效率、通过层间屏蔽可增强光电导性以及TDBG的可扩展升级特性,因为它不需要栅极来施加电场以获得电子带隙。

    在他们的实验中,研究人员对TDBG中的光反应进行了彻底与综合的研究。他们进行了多种TDBG的设计,并研究了它们的光电导性,即它们的电阻在光照下如何变化。

    正如本研究的第一合作者Krystian Nowakowski所评论的那样,“这个实验的想法是在阅读了一项研究后产生的。在我们的研究中,研究人员在扭变两双层石墨烯(TDBG)中发现了无需应用外部电场的一个小电子带隙,而这通常是在普通双层石墨烯堆叠中打开电子带隙的关键一步。”

    “带隙的存在使双层石墨烯成为一种很理想的光探测设计材料,但由于扩大工业应用制造规模的复杂性,应用外部电场的需要将是应用中的障碍。”在查阅文献后,他们发现从未有人用“两”个BLG,即TDBG来测试过这一现象。

    因此,研究小组全力准备实验。正如另一位第一合作者Hitesh Agarwal回忆的那样,“制作TDBG样品并不是一项微不足道的任务。我们从剥离石墨烯薄片开始,继续这个过程,直到我们找到一个足够大的双层石墨烯薄片。然后,我们用微操作器将薄片切成两半,拿起其中一半,将其旋转15度,再堆叠在另一半上,形成TDBG堆叠。”

    然后将这些堆叠冷却至4开氏温度,以进行电阻的精确测量。在中红外光的照射下,他们发现电阻显著下降,这促使人们有可能将这些设计用作光电探测器。

制成霍尔棒形状的TDBG样品的光学图像,用于精确测量电阻率和光电导性。
来源:ICFO

    研究中的创新

    经过几个月的密集实验,因为2020年疫情突然隔离所造成的各种限制,该团队不得不寻找物流和实验的各种替代方案,以克服困难继续研究,例如:远程控制设备,疫情期间的实验测量等等。

    研究团队经过长期的艰苦努力,终于完成了实验的设置,并进行了大量的实验和测量,以便收集和了解他们所获得数据的类型及其实际含义。Roshan Krishna Kumar回忆到:“我们面临的一大挑战是如何真正了解大规模反应的源头是什么,以及如何将其与商业技术进行可靠对接的基准线。”

    经过数月的数据分析,确定需要测量的内容和原因,学习如何区分各种假设,并提出有助于获得结果的新想法,他们最终能够量化内部量子效率(Internal Quantum Efficiency),并发现大多数光谱范围的效率等于或高于40%。这是一个很好的值,在结合TDBG的超宽光谱范围与可扩展升级特性方面,非常有希望。

    在最初的测量之后,研究人员意识到,通过描述TDBG的内在带隙特证,这也为其探测器设定了截止频率,光电探测器完全可能具有延伸至2 THz长波的能力。

    受这一诱人前景的激励,Hitesh Agarwal飞往瑞士,在Giacomo Scalari的实验室进行测量。Giacomo是太赫兹技术专家,也是PhotoTBG项目下的ICFO的有力合作者。他们使用定制的宽带测量装置,展示了研究中所报道的超宽波长范围。

    研究人员随后“专注于理解测量信号背后的物理机制。和Frank Koppens教授进行了长时间的大脑风暴后,我们发现这种反应主要是由于光电导效应,即光子通过直接产生更多的电子空穴对来影响电阻,而不是辐射热效应,因为辐射热效应是光子加热样本,通过温度的变化间接影响电阻。”

    这项研究的结果表明,其所描述的方法和结果可以作为其他科学家的指南和基准,如果他们也采用光来研究这些非常有趣的扭变材料。

    通过对层间屏蔽增强导电性的解释,区分测辐射热反应和光电导帆应的方法,以及他们所提出的三维堆叠的想法,这些都将可能被用作进一步研究其他二维材料的基础。

 
 

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