Las imágenes hiperespectrales utilizan todo el espectro de luz para brindar información detallada sobre la naturaleza y su comportamiento. Estos conocimientos abren un ámbito para múltiples aplicaciones, incluida la conducción autónoma, la monitorización medioambiental, la atención sanitaria, la exploración espacial o incluso la agricultura y el procesamiento de alimentos.
La obtención de imágenes desde el régimen infrarrojo hasta el régimen de terahercios plantea un desafío tecnológico porque requiere dispositivos que sean lo suficientemente eficientes y sensibles en todo el rango del espectro.
Hasta ahora, los únicos que cumplen parcialmente las expectativas son los conjuntos de fotoconductores basados en elementos de telururo de mercurio y cadmio. Aunque esta es la tecnología más adecuada disponible actualmente, su eficiencia de rendimiento en la detección de luz no es de banda ancha porque tienden a ser absorbentes eficientes para ciertas longitudes de onda pero funcionan peor para otras y simplemente no tienen la capacidad de detectar las longitudes de onda de luz más largas. en el régimen de terahercios, que es cada vez más relevante para la tecnología.
Como menciona Frank Koppens, autor correspondiente del estudio, "la torsión de materiales bidimensionales como el grafeno ha revolucionado el campo de los materiales cuánticos, impulsado por el descubrimiento de la superconductividad no convencional. Pero recientemente, también hemos podido ver que es una plataforma para una amplia gama de aplicaciones, debido a sus propiedades únicas y altamente ajustables."
Por lo tanto, en los últimos años, se ha demostrado que el grafeno bicapa (BLG) es un fotodetector impresionante cuando está polarizado con campos eléctricos externos, aunque, debido a su naturaleza 2D, la absorción de luz es bastante limitada. Curiosamente, BLG cumple con la tecnología de silicio existente, algo imprescindible para su introducción en el mercado.
Sin embargo, la necesidad de aplicar un campo eléctrico plantea enormes dificultades a la hora de ampliar la fabricación en tres dimensiones, lo que sería necesario para superar el problema de la baja absorción de BLG.
Los dispositivos de grafeno bicapa "doble" retorcido (TDBG), por otro lado, se han convertido en un material único que puede evitar estas restricciones. TDBG está hecho de dos pilas de grafeno bicapa giradas o torcidas en un ángulo grande (15 grados) que recientemente se ha demostrado que crean su propio campo eléctrico intrínseco sin la necesidad de electrodos adicionales que compliquen la fabricación en el caso de BLG.
Esto ha abierto perspectivas de detección de banda ancha en un sistema escalable; sin embargo, hasta ahora, las capacidades de detección de luz de TDBG no se han probado.
En un estudio publicado en Nature Photonics , los investigadores informan sobre el desarrollo de un novedoso fotodetector de banda ultraancha TDBG capaz de detectar luz de manera muy eficiente en un rango espectral que abarca desde el terahercio lejano (longitud de onda de 100 μm, equivalente a 3 THz) hasta el infrarrojo cercano (2 μm de longitud de onda o 150 THz) y con una buena eficiencia continua en todo el rango, sin espacios.
Los investigadores del ICFO, Hitesh Agarwal y Krystian Nowakowski, fueron dirigidos por el investigador postdoctoral Dr. Roshan Krishna Kumar y el profesor ICREA del ICFO Frank Koppens. Trabajaron en colaboración con el grupo del Prof. ICREA Adrian Bachtold en ICFO, el grupo del prof. Giacomo Scalari de ETH Zurich e investigadores de la Universidad de Manchester, NIMS en Japón y CNRS en Francia.
El fotodetector de banda ultraancha ha demostrado tener una buena eficiencia cuántica interna, una mejora de la fotoconductividad mediante el filtrado entre capas y la escalabilidad de TDBG porque no se necesitan puertas para aplicar el campo eléctrico a fin de obtener la banda prohibida electrónica.
En su experimento, los investigadores llevaron a cabo un estudio exhaustivo y comprensible de la fotorespuesta en TDBG. Fabricaron múltiples dispositivos de TDBG y estudiaron su fotoconductividad, es decir, cómo cambia su resistencia eléctrica bajo la iluminación.
Como comenta el primer coautor Krystian Nowakowski, "la idea de este experimento surgió después de leer un estudio en el que los investigadores habían encontrado una pequeña banda prohibida electrónica en grafeno doble bicapa retorcido (TDBG) sin necesidad de aplicar un campo eléctrico externo, que suele ser Es necesario abrir una banda prohibida electrónica en la pila común de grafeno bicapa (BLG)".
"La presencia de una banda prohibida hace que el grafeno bicapa sea un buen detector de luz, pero la necesidad de aplicar un campo eléctrico externo es una barrera para las aplicaciones debido a la complejidad de ampliar la fabricación para aplicaciones industriales". Después de examinar la literatura, vieron que nadie había probado esto con BLG "doble" o TDBG.
Entonces, el equipo puso todos sus esfuerzos en marcha para preparar el experimento. Como recuerda Hitesh Agarwal, primer coautor, "hacer muestras de TDBG no es una tarea trivial. Comenzamos exfoliando escamas de grafeno y continuamos este proceso hasta que pudimos encontrar una escama lo suficientemente grande de grafeno bicapa. Luego cortamos la escama por la mitad Con un micromanipulador, levante una de las mitades, gírela 15 grados y apílela sobre la otra para crear una pila TDBG."
Luego, estos dispositivos se enfriaron a una temperatura de 4 Kelvin para realizar mediciones precisas de la resistencia eléctrica. Bajo la iluminación con luz infrarroja media, vieron que la resistencia caía significativamente, lo que generó la posibilidad de utilizar estos dispositivos como fotodetectores.
Creatividad en la investigación
Después de varios meses de trabajar intensamente en el experimento, el equipo se vio obligado a buscar alternativas logísticas y experimentales para superar las restricciones impuestas por el cierre repentino de 2020 para continuar con el estudio, que incluía el control remoto de los equipos para continuar las mediciones durante las pandemias.
El equipo trabajó arduas horas para configurar el experimento, medir tanto como fuera posible para permitirles recopilar y comprender el tipo de datos que estaban obteniendo y lo que realmente significaban. "Uno de los grandes desafíos que enfrentamos fue comprender realmente el origen de la gran respuesta y compararla de manera confiable con tecnologías comerciales", recuerda Roshan Krishna Kumar.
Después de muchos meses de analizar datos, determinar qué había que medir y por qué, aprender a distinguir entre varias hipótesis y proponer nuevas ideas que pudieran facilitar la obtención de resultados, finalmente lograron cuantificar la Eficiencia Cuántica Interna, indicador de la fracción de los fotones absorbidos que se convierten en el cambio medido en la corriente eléctrica, y descubrió que la eficiencia de la mayor parte del rango del espectro era igual o superior al 40%, lo cual es un buen valor y muy prometedor cuando se combina con el espectro espectral ultra amplio. alcance y escalabilidad de TDBG.
Después de las mediciones iniciales, los investigadores se dieron cuenta de que el fotodetector podría tener capacidades de longitud de onda larga que se extendieran hasta 2 THz después de caracterizar la banda prohibida intrínseca de TDBG, que establece la frecuencia de corte de sus detectores.
Motivado por esta tentadora perspectiva, Hitesh Agarwal voló a Suiza para realizar mediciones en el laboratorio de Giacomo Scalari, experto en tecnologías de terahercios y fuerte colaborador del ICFO en el proyecto PhotoTBG. Utilizando sus configuraciones de medición de banda ancha personalizadas, demostraron el rango de longitud de onda ultraancho reportado en el estudio.
Luego, los investigadores "se centraron en comprender el mecanismo físico detrás de la señal medida. Después de una larga lluvia de ideas con el profesor Frank Koppens, descubrimos que la respuesta se debe principalmente al efecto fotoconductor, donde los fotones influyen en la resistencia creando más pares de electrones directamente. en lugar del efecto bolométrico donde los fotones calientan la muestra y eso influye indirectamente en la resistencia por el cambio de temperatura."
Los resultados de este estudio muestran que los métodos y resultados descritos pueden servir como guía y punto de referencia para otros científicos que utilizan la luz para estudiar estos interesantes materiales retorcidos.
La explicación de la mejora de la conductividad mediante el cribado entre capas, el método para diferenciar entre respuesta bolométrica y fotoconductora y la idea propuesta de apilamiento tridimensional bien pueden usarse como base para futuras investigaciones sobre otros materiales bidimensionales.
Más información: H. Agarwal et al, Fotoconductividad de banda ultraancha en heteroestructuras de grafeno retorcido con gran capacidad de respuesta, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01291-0
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por ICFO
