Un fotodetector de grafeno con contactos de oro en forma de patrón fractal similar a un copo de nieve tiene una mayor absorción óptica y un aumento de orden de magnitud en el fotovoltaje. en comparación con los fotodetectores de grafeno que tienen contactos con bordes lisos. Crédito:Fang et al. © 2016 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Los investigadores han descubierto que un diseño fractal similar a un copo de nieve, en el que el mismo patrón se repite a escalas cada vez más pequeñas, puede aumentar la absorción óptica inherentemente baja del grafeno. Los resultados conducen a fotodetectores de grafeno con un aumento de orden de magnitud en el fotovoltaje, junto con la detección de luz ultrarrápida y otras ventajas.
Los investigadores, de la Universidad Purdue en Indiana, incluyen a los estudiantes de posgrado Jieran Fang y Di Wang, que fueron guiados por los profesores Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, y Vlad Shalaev, junto a sus colaboradores del grupo del profesor Yong P. Chen. El equipo ha publicado un artículo sobre el nuevo diseño fractal del fotodetector de grafeno en un número reciente de Nano letras .
Los fotodetectores son dispositivos que detectan la luz convirtiendo fotones en corriente eléctrica. Tienen una amplia variedad de aplicaciones, incluso en telescopios de rayos X, ratones inalámbricos, Controles remotos de TV, sensores robóticos, y cámaras de video. Los fotodetectores actuales suelen estar hechos de silicio, germanio, u otros semiconductores comunes, pero recientemente los investigadores han estado investigando la posibilidad de hacer fotodetectores a partir del grafeno.
Aunque el grafeno tiene muchas propiedades ópticas y eléctricas prometedoras, como uniforme, absorción óptica de banda ultra ancha, junto con una velocidad de electrones ultrarrápida, el hecho de que tenga un solo átomo de espesor le confiere una absorción óptica intrínsecamente baja, que es su principal inconveniente para su uso en fotodetectores.
Para abordar la baja absorción óptica del grafeno, Los investigadores de Purdue diseñaron un fotodetector de grafeno con contactos de oro en forma de metasuperficie fractal similar a un copo de nieve. Demostraron que el patrón fractal hace un mejor trabajo al recolectar fotones en una amplia gama de frecuencias en comparación con un borde de oro-grafeno simple. permitiendo que el nuevo diseño genere 10 veces más fotovoltaje.
El nuevo fotodetector de grafeno tiene otras ventajas, como que es sensible a la luz de cualquier ángulo de polarización, lo que contrasta con casi todos los demás fotodetectores de grafeno reforzados con plasmón en los que la sensibilidad depende de la polarización. El nuevo fotodetector de grafeno también es de banda ancha, mejorando la detección de luz en todo el espectro visible. Además, debido a la velocidad de los electrones intrínsecamente rápida del grafeno, el nuevo fotodetector puede detectar la luz muy rápidamente.
"En este trabajo, Hemos resuelto un problema vital de mejorar la sensibilidad intrínsecamente baja en los fotodetectores de grafeno en un amplio rango espectral y de una manera insensible a la polarización. utilizando un diseño inteligente auto-similar de una metasuperficie fractal plasmónica, Wang dijo Phys.org . "Hasta donde sabemos, estos dos atributos no se lograron en fotodetectores de grafeno mejorados con plasmónico reportados anteriormente ".
Los investigadores explicaron que estas características se pueden atribuir directamente al patrón fractal.
Niveles fractales del diseño fractal en forma de copo de nieve, junto con una simulación del campo eléctrico bajo la metasuperficie fractal de oro. Crédito:Fang et al. © 2016 Sociedad Química Estadounidense
"Nuestra metasuperficie fractal propuesta tiene la capacidad única de soportar resonancias plasmónicas (oscilaciones de electrones libres) en un amplio rango espectral de una manera insensible a la polarización debido a su geometría compleja y altamente simétrica hexagonal, "Dijo Kildishev." Los fotodetectores de grafeno mejorados con plasmónico reportados anteriormente utilizan estructuras más simples de banda estrecha y sensibles a la polarización, y, por lo tanto, la mejora también es de banda estrecha y sensible a la polarización ".
Como ha demostrado una investigación anterior, la razón por la que un patrón fractal puede mejorar la absorción óptica es que la metasuperficie fractal crea resonancias adicionales, con la cantidad de resonancia aumentando a medida que aumenta el número de niveles fractales. Además, Los investigadores encontraron aquí que la metasuperficie fractal limita y mejora el campo eléctrico de la luz que incide en la superficie. En última instancia, esto conduce a un mayor fotovoltaje generado en el fotodetector de grafeno.
Como explicó Kildishev con más detalle, Hay dos mecanismos principales para inducir el fotovoltaje en un fotodetector basado en grafeno:el efecto fotovoltaico y el efecto fototermoeléctrico. El efecto fotovoltaico utiliza el campo eléctrico incorporado inducido por regiones dopadas de manera diferente en el grafeno para separar los pares de huecos de electrones excitados ópticamente en el grafeno. El efecto fototermoeléctrico impulsa los electrones libres en el grafeno a través de regiones con diferentes poderes termoeléctricos (coeficientes de Seebeck), dado un gradiente de temperatura entre las dos regiones.
La metasuperficie fractal mejora ambos efectos en los fotodetectores de grafeno al aumentar la intensidad del campo eléctrico y al calentar a través de la luz incidente en espacios muy confinados.
"La metasuperficie fractal mejora el fotovoltaje mediante el uso de resonancia plasmónica:oscilaciones de electrones libres en oro bajo la excitación de la luz, ", Dijo Kildishev." Esto luego confina la energía electromagnética a volúmenes ultrapequeños, generando pares excesivos de electrones y huecos en el grafeno que luego son separados por el efecto fotovoltaico. La luz incidente también calienta la estructura plasmónica para crear un gran gradiente de temperatura a través de la interfaz metal / grafeno. dando lugar a una respuesta fototermoeléctrica más fuerte ".
En el futuro, los investigadores planean explorar las posibles aplicaciones de los fotodetectores de grafeno, que podría extenderse más allá de la fotodetección a la fotocosecha, con aplicaciones como células solares y calefacción óptica. Las tecnologías que requieren una respuesta rápida también podrían experimentar mejoras significativas debido a la rápida velocidad de operación del fotodetector de grafeno.
"Un gran atributo del detector fotovoltaico / fototermoeléctrico de grafeno es que reacciona a la luz a una velocidad extremadamente rápida, gracias a la velocidad de movimiento ultrarrápida de los electrones (efecto fotovoltaico) y al tiempo ultracorto que necesitan los electrones para desprender calor (efecto fototermoeléctrico) en el grafeno, "Dijo Wang." Tal velocidad de respuesta no tiene comparación con otros materiales de fotodetección.
"Se sabe que la mejora plasmónica sacrifica la velocidad de respuesta ultrarrápida en menor medida. Por lo tanto, Los fotodetectores de grafeno mejorados con plasmón son prometedores para la lectura de moduladores totalmente ópticos y otras aplicaciones donde la velocidad de respuesta es clave. Es más, el grafeno tiene banda prohibida cero (o sintonizable) y una absorción óptica uniforme en todo el espectro electromagnético. Por lo tanto, Los fotodetectores de grafeno se pueden utilizar en principio para detectar luz de cualquier frecuencia con idéntica sensibilidad, que nuevamente no tiene paralelo con otros detectores hechos de otros materiales de fotodetección ".
© 2017 Phys.org
