Los investigadores han resuelto un problema que dificulta el desarrollo de dispositivos ópticos altamente sensibles hechos de un material llamado grafeno. un avance que podría llevar aplicaciones desde imágenes y pantallas hasta sensores y comunicaciones de alta velocidad.

El grafeno es una capa de carbono extremadamente delgada que es prometedora para la optoelectrónica, y los investigadores están tratando de desarrollar fotodetectores basados ​​en grafeno, dispositivos que son críticos para muchas tecnologías. Sin embargo, Los fotodetectores típicos hechos de grafeno tienen solo un área pequeña que es sensible a la luz, limitando su desempeño.

Ahora, Los investigadores han resuelto el problema combinando grafeno con un sustrato de carburo de silicio comparativamente mucho más grande. creando transistores de efecto de campo de grafeno, o GFET, que se puede activar con la luz, dijo Yong Chen, profesor de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Purdue, y director del Purdue Quantum Center.

Los fotodetectores de alto rendimiento pueden ser útiles para aplicaciones que incluyen comunicaciones de alta velocidad y cámaras ultrasensibles para astrofísica. así como aplicaciones de detección y dispositivos electrónicos portátiles. Las matrices de transistores basados ​​en grafeno pueden traer imágenes y pantallas de alta resolución.

"En la mayoría de las cámaras se necesitan muchos píxeles, "dijo Igor Jovanovic, profesor de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas en la Universidad de Michigan. "Sin embargo, nuestro enfoque podría hacer posible una cámara muy sensible en la que tenga relativamente pocos píxeles pero aún tenga una alta resolución ".

Los nuevos hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece esta semana en la revista. Nanotecnología de la naturaleza . El trabajo fue realizado por investigadores de Purdue, la Universidad de Michigan y la Universidad Estatal de Pensilvania.

"En los fotodetectores típicos basados ​​en grafeno demostrados hasta ahora, la fotorrespuesta solo proviene de ubicaciones específicas cerca del grafeno en un área mucho más pequeña que el tamaño del dispositivo, "Dijo Jovanovic." Sin embargo, para muchas aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos, es deseable obtener fotorrespuesta y sensibilidad posicional en un área mucho mayor ".

Los nuevos hallazgos muestran que el dispositivo responde a la luz incluso cuando el carburo de silicio se ilumina a distancias alejadas del grafeno. El rendimiento se puede aumentar hasta 10 veces dependiendo de qué parte del material esté iluminada. El nuevo fototransistor también es "sensible a la posición, "lo que significa que puede determinar la ubicación de la que proviene la luz, lo cual es importante para aplicaciones de imágenes y detectores.

"Esta es la primera vez que alguien ha demostrado el uso de una pequeña pieza de grafeno en una gran oblea de carburo de silicio para lograr una fotodetección no local". para que la luz no tenga que golpear el grafeno en sí, "Chen dijo." Aquí, la luz puede incidir en un área mucho más grande, casi un milímetro, que no se ha hecho antes ".

Se aplica un voltaje entre la parte posterior del carburo de silicio y el grafeno, estableciendo un campo eléctrico en el carburo de silicio. La luz entrante genera "portadores de fotos" en el carburo de silicio.

"El semiconductor proporciona los medios que interactúan con la luz, "Dijo Jovanovic." Cuando entra la luz, parte del dispositivo se vuelve conductor y eso cambia el campo eléctrico que actúa sobre el grafeno ".

Este cambio en el campo eléctrico también cambia la conductividad del propio grafeno, que se detecta. El enfoque se llama detección de foto de efecto de campo.

El carburo de silicio está "sin dopar, "a diferencia de los semiconductores convencionales en los transistores basados ​​en silicio. Al no estar dopado, el material se convierte en un aislante a menos que se exponga a la luz, lo que temporalmente hace que se vuelva parcialmente conductor, cambiando el campo eléctrico del grafeno.

"Esta es una novedad de este trabajo, "Dijo Chen.

La investigación está relacionada con el trabajo para desarrollar nuevos sensores basados ​​en grafeno diseñados para detectar radiación y fue financiada con una subvención conjunta de la National Science Foundation y el Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. Y otra subvención de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa.

"Este artículo en particular trata sobre un sensor para detectar fotones, pero los principios son los mismos para otros tipos de radiación, ", Dijo Chen." Estamos utilizando el transistor de grafeno sensible para detectar el campo eléctrico modificado causado por los fotones, luz en este caso, interactuando con un sustrato de carburo de silicio ".

Los detectores de luz se pueden utilizar en dispositivos llamados centelleadores, que se utilizan para detectar radiación. La radiación ionizante crea breves destellos de luz, que en los centelleadores son detectados por dispositivos llamados tubos fotomultiplicadores, una tecnología de aproximadamente un siglo.

"Por eso hay mucho interés en desarrollar dispositivos avanzados basados ​​en semiconductores que puedan lograr la misma función, "Dijo Jovanovic.

El artículo fue escrito por Biddut K. Sarker, antiguo asociado de investigación postdoctoral de Purdue; el ex estudiante graduado de Penn State Edward Cazalas; El estudiante graduado de Purdue, Ting-Fung Chung; Isaac Childres, ex estudiante de posgrado de Purdue; Jovanovic; y Chen.

Los investigadores también explicaron sus hallazgos con un modelo computacional. Los transistores fueron fabricados en el Centro de Nanotecnología Birck en Discovery Park de Purdue.

La investigación futura incluirá trabajo para explorar aplicaciones como centelleadores, tecnologías de imágenes para astrofísica y sensores para radiación de alta energía.