I materiali bidimensionali (2D) con proprietà fisiche uniche come forti interazioni luce-materia, profilo atomicamente sottile e ricombinazione rapida dei portatori, potrebbero offrire un'interessante piattaforma per lo studio dei dispositivi optoelettronici nella fisica fondamentale. Pertanto, è urgente trovare materiali 2D favorevoli che aumentino le prestazioni del dispositivo.

L’emergente tellurio 2D mono-elementale (Te) è una nuova opzione intrigante. Questo materiale, con una struttura a catena elicoidale unica, ha caratteristiche promettenti, come un gap di banda dipendente dallo strato, una mobilità dei portatori straordinariamente elevata, una forte risposta ottica e una buona stabilità dell'aria.

In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Application , un team di scienziati, guidato dal professor Qingli Zhou del Laboratorio Chiave di Optoelettronica Terahertz, Ministero dell'Istruzione, e del Centro di Innovazione Avanzata di Pechino per la Teoria e la Tecnologia dell'Imaging, Dipartimento di Fisica, Università Normale della Capitale, Laboratorio Nazionale di Fisica della Materia Condensata di Pechino, Istituto di Fisica, Accademia Cinese delle Scienze, Cina e colleghi hanno sviluppato modulatori THz basati su Te per promuovere con successo le prestazioni del dispositivo a livelli ottimali e applicabili tra i modulatori a banda larga completamente 2D esistenti.

I ricercatori hanno scoperto che i nanofilm di Te possono raggiungere un'elevata profondità di modulazione in una scala temporale di picosecondi e mostrare una risposta ultrasensibile a bassa eccitazione della pompa. In combinazione con la progettazione dell'eterostruttura interamente 2D e l'ingegneria del substrato, è possibile realizzare l'ottimizzazione dei parametri del dispositivo. Pertanto, la loro eterogiunzione fabbricata con l'ordine di impilamento di Ge/Te mostra una profondità di modulazione ultraelevata e una durata della portante di breve durata accompagnata da proprietà di bassa perdita e ampia larghezza di banda.

Ulteriori esperimenti di fotorisposta mostrano l'ovvio effetto di rettifica in Ge/Te a causa della barriera di interfaccia. Per esplorare l'impatto significativo osservato dell'ordine di impilamento, il team ha calcolato la direzione del campo elettrico indotto dal substrato e ha scoperto il suo insolito meccanismo di interazione nella dinamica dei portatori fotoeccitati associati al trasferimento di carica e alla ricombinazione degli eccitoni interstrato.

I loro risultati potrebbero fornire una comprensione più completa del meccanismo interno del trasferimento di carica ultraveloce e della dinamica degli eccitoni in eterostrutture completamente 2D, guidare la progettazione di eterointerfacce e immaginare una nuova classe di soluzioni efficienti dal punto di vista energetico, ad alta velocità, con bassa perdita di inserzione e dispositivi fotonici THz sintonizzabili a banda larga.

I modulatori THz ad alte prestazioni sono incentrati sul nanofilm di Te e sulle sue eterogiunzioni per risolvere il problema del compromesso tra profondità di modulazione e velocità. Inoltre, hanno scoperto che l’ordine di impilamento dei materiali ha un’evidente influenza sulla proprietà di modulazione. Il calcolo e l'analisi chiariscono che il campo effettivo del substrato ingegnerizza la struttura a bande dell'interfaccia eterogenea attraverso l'ordine di impilamento, e quindi i comportamenti transitori ottici possono essere regolati.

"Introduciamo i nanofilm 2D Te con la struttura unica come una nuova classe di modulatori THz controllati otticamente e dimostriamo che le loro eterogiunzioni integrate possono migliorare con successo le prestazioni del dispositivo ai livelli ottimali e applicabili tra i modulatori a banda larga completamente 2D esistenti.

"Ulteriori misurazioni della fotorisposta confermano l'impatto significativo dell'ordine di impilamento. Per prima cosa chiariamo la direzione del campo elettrico indotto dal substrato attraverso calcoli di principi primi e scopriamo l'insolito meccanismo di interazione nella dinamica dei portatori fotoeccitati associata al trasferimento di carica e alla ricombinazione degli eccitoni interstrato .

"I nostri risultati ottenuti mostrano che le eterogiunzioni vdW interamente 2D basate su Te con l'ingegneria del substrato possono migliorare notevolmente le prestazioni del dispositivo e aprire una nuova idea per la progettazione, l'ottimizzazione e l'applicazione dei modulatori THz altamente efficienti controllati otticamente", affermano i ricercatori.

"Crediamo che i risultati di questo lavoro non solo siano di grande interesse a livello fondamentale, ma offrano anche una guida per la progettazione e lo sviluppo futuri di modulatori THz ad alte prestazioni basati su nanomateriali funzionali", hanno affermato gli scienziati.

Ulteriori informazioni: Pujing Zhang et al, Modulatori terahertz ad alte prestazioni indotti dal campo del substrato in eterogiunzioni completamente 2D basate su Te, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01393-6

Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni

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