Graphen gibt zukünftigen Terahertz-Kameras einen enormen Schub
Die Erkennung von Terahertz-Licht (THz) ist aus zwei Hauptgründen äußerst nützlich:
(Links) Schematische Darstellung des zentralen Teils der graphenbasierten THz-Photodetektorvorrichtung, die den hBN-gekapselten Graphenkanal enthält, auf der Oberseite der Schmalspurantennenstruktur. Durch das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an den linken und rechten Antennenzweig wird im Graphenkanal ein pn-Übergang mit ungleichen Seebeck-Koeffizienten links und rechts des Übergangs erzeugt. Das einfallende Licht wird von der Antenne über dem Spalt fokussiert, wo die Photoresponse erzeugt wird. (Rechts) Messung eines THz-Fokus, erhalten durch Abtasten des THz-Detektors in der Ebene des Fokus. Die Beobachtung mehrerer Ringe des Airy-Musters zeigt die hohe Empfindlichkeit des Detektors an.
ICFO
Erstens wird die THz-Technologie zu einem Schlüsselelement in Anwendungen in den Bereichen Sicherheit (z.B. Flughafen-Scanner), drahtlose Datenkommunikation und Qualitätskontrolle, um nur einige zu nennen. Allerdings haben aktuelle THz-Detektoren starke Einschränkungen in Bezug auf die gleichzeitige Erfüllung der Anforderungen an Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Spektralbereich, und an die Möglichkeit, bei Raumtemperatur zu arbeiten, etc. gezeigt.
Zweitens ist es aufgrund seiner niederenergetischen Photonen eine sehr sichere Strahlungsart, mit mehr als hundert Mal weniger Energie als Photonen im sichtbaren Bereich.
Es wird erwartet, dass viele graphenbasierte Anwendungen aus der Verwendung als Material für die Lichtdetektion hervorgehen werden. Graphen hat die Besonderheit, keine Bandlücke zu haben, im Vergleich zu Standardmaterialien, die für die Photodetektion verwendet werden, wie beispielsweise Silizium. Die Bandlücke in Silizium bewirkt, dass einfallendes Licht mit Wellenlängen größer als ein Mikrometer nicht absorbiert und somit nicht erkannt wird. Im Gegensatz dazu kann für Graphen sogar Terahertzlicht mit einer Wellenlänge von Hunderten von Mikrometern absorbiert und detektiert werden. Während THz-Detektoren auf Graphenbasis bisher vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, konnte keiner der Detektoren bisher die kommerziell erhältlichen Detektoren in Bezug auf Geschwindigkeit und Empfindlichkeit schlagen.
In einer aktuellen Studie konnten die ICFO-Forscher Sebastian Castilla und Dr. Bernat Terres unter der Leitung von ICREA Prof. am ICFO Frank Koppens und dem ehemaligen ICFO-Wissenschaftler Dr. Klaas-Jan Tielrooij (heute Juniorgruppenleiter am ICN2) in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von CIC NanoGUNE, NEST (CNR), Nanjing University, Donostia International Physics Center, University of Ioannina und dem National Institute for Material Sciences diese Herausforderungen bewältigen. Sie haben einen neuartigen grafikfähigen Photodetektor entwickelt, der bei Raumtemperatur arbeitet: hochempfindlich, sehr schnell, mit einem großen Dynamikbereich und einem breiten Frequenzbereich von THz.
In ihrem Experiment konnten die Wissenschaftler den Photoresponse-Mechanismus eines THz-Photodetektors mit dem folgenden Ansatz optimieren. Sie integrierten eine Dipolantenne in den Detektor, um das einfallende THz-Licht um den Antennenabstand zu konzentrieren. Durch die Herstellung eines sehr kleinen (100 nm, etwa tausend Mal kleiner als die Dicke eines Haares) Antennenabstandes konnten sie eine hohe Intensitätskonzentration des einfallenden THz-Lichts im photoaktiven Bereich des Graphenkanals erreichen. Sie beobachteten, dass das vom Graphen absorbierte Licht heiße Träger an einem pn-Übergang im Graphen erzeugt; anschließend erzeugen die ungleichen Seebeck-Koeffizienten in den p- und n-Regionen eine lokale Spannung und einen Strom durch die Vorrichtung, die eine sehr große Photoresponse erzeugt und somit zu einem sehr empfindlichen Hochgeschwindigkeitsdetektor mit einem breiten Dynamikbereich und einer breiten spektralen Abdeckung führt.
Die Ergebnisse dieser Studie eröffnen einen Weg zur Entwicklung eines vollständig digitalen, kostengünstigen Kamerasystems. Dies könnte so günstig sein wie die Kamera im Inneren des Smartphones, da sich ein solcher Detektor als sehr stromsparend erwiesen hat und voll kompatibel mit der CMOS-Technologie ist.
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Originalveröffentlichung
Sebastián Castilla, Bernat Terrés, Marta Autore, Leonardo Viti, Jian Li, Alexey Y. Nikitin, Ioannis Vangelidis, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Elefterios Lidorikis, Miriam S. Vitiello, Rainer Hillenbrand, Klaas-Jan Tielrooij, and Frank H.L. Koppens; Fast and Sensitive Terahertz Detection Using an Antenna-Integrated Graphene pn Junction"; Nano Letters; 2019
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