La capa de grafeno tiene dos puertas para crear cambios locales en el portador de carga.
Investigadores en Canadá han diseñado y fabricado una unión p-n de grafeno de una sola hoja con dos puertas superiores. La técnica estándar, usando una puerta superior e inferior, puede provocar daños en la capa de grafeno. Esto se evita en el nuevo método, que también ofrece características I-V lineales a bajo voltaje de puerta. Se espera que la estructura de dos puertas superiores sea una ruta práctica hacia una fuente de terahercios a temperatura ambiente.
Gapless
El grafeno se comporta como un semiconductor sin espacios, con espacio cero entre la valencia y la banda de conducción. Como consecuencia, Es fácil sintonizar entre un semiconductor de tipo n (los electrones son los principales portadores de carga) o de tipo p (los huecos son los principales portadores de carga). La aplicación de un voltaje de puerta positivo al grafeno cambiará el nivel de Fermi a la banda de conducción, creando un semiconductor tipo p. Un voltaje de puerta negativo bajará el nivel de Fermi a la banda de valencia, haciendo agujeros a los portadores dominantes.
Esta propiedad significa que una sola hoja de grafeno puede comportarse como una unión p-n, como se muestra en la figura inferior. En este caso, se puede aplicar un voltaje de puerta positivo a la primera puerta, y un negativo al segundo, cambiando los niveles de Fermi en esas regiones y creando la unión.
No destructivo
Los intentos anteriores de fabricar uniones de una sola hoja han utilizado una puerta superior junto con una puerta inferior. Estas técnicas utilizaron el sustrato como puerta inferior, lo que reduciría el nivel de Fermi de toda la hoja. Luego, se podría usar una sola puerta superior para elevar el nivel de Fermi localmente. Sin embargo, para superar el potencial de la puerta inferior, el voltaje de la puerta superior necesitaba elevarse tanto que el grafeno se dañara o las características I-V se volvieran altamente no lineales. Como la nueva estructura solo aplica una puerta localmente, solo se requieren voltajes muy bajos, que conserva el material y sus características lineales.
La aplicación de voltaje de puerta positivo o negativo cambia el nivel de Fermi por encima o por debajo de la banda de valencia
Los bajos voltajes también juegan un papel en la idoneidad del dispositivo para la producción de THz. La mayoría de los semiconductores tienen una banda prohibida que es mucho mayor que la energía asociada con la radiación THz. La naturaleza de espacio cero del grafeno significa que puede operar en estas frecuencias, como la inversión de población y la recombinación de huecos de electrones se pueden sintonizar en cualquier frecuencia, incluso la banda THz de baja energía.
Templado
El funcionamiento de los dispositivos de grafeno en la producción de THz fue explicado por Jingping Liu, el autor principal de la investigación. La técnica, conocido como inyección, utiliza la recombinación de huecos de electrones:"para grafeno de tipo n, los electrones adicionales son inducidos por el campo electrostático y se acumulan en la capa de grafeno, resultando en la inversión de la población, "dijo Liu. Después de esto, explicó que "con la ayuda del sesgo hacia adelante, los electrones de alto nivel de energía se mueven al grafeno tipo p, y recombinarse con los huecos del grafeno de tipo p para generar fotones TH Z ".
Si bien el equipo ha demostrado que su dispositivo puede, en principio, ser utilizado para la generación TH Z, se necesita mucha más investigación para llevarlo a una aplicación práctica. El grupo ahora está trabajando en los fenómenos de transporte y los efectos de la temperatura en las uniones p-n del grafeno. "A través de la investigación sobre el mecanismo dinámico de la unión p-n con la corriente de inyección, entenderemos el mecanismo de transporte electrónico de la unión p-n, "dijo Liu" y obtenga la probabilidad de recombinación y el tiempo de vida de la recombinación de radiación, dispersión de fonones y recombinación Auger, para proporcionar la evidencia teórica para el diseño del modelo de la fuente láser TH Z ".
Liu confía en que estos dispositivos simples abrirán nuevas aplicaciones para la tecnología THz mediante su funcionamiento a temperatura ambiente:"Los láseres en cascada cuántica de THz son fuentes de THz coherentes y prometedoras, pero no se pueden operar a temperatura ambiente, " ella dijo, "Sin embargo, la monocapa de grafeno ofrece oportunidades nuevas y únicas y sería genial si, Un día, una fuente de TH Z hecha de grafeno podría funcionar a temperatura ambiente ".
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