Lo strato di grafene ha due porte per creare cambiamenti locali nel portatore di carica.
Ricercatori in Canada hanno progettato e fabbricato una giunzione p-n di grafene a foglio singolo con due porte superiori. La tecnica standard, usando un cancello superiore e uno inferiore, può portare al danneggiamento dello strato di grafene. Questo viene evitato nel nuovo metodo, che offre anche caratteristiche I-V lineari a bassa tensione di gate. La struttura a due porte superiori dovrebbe essere un percorso pratico verso una fonte di terahertz a temperatura ambiente.
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Il grafene si comporta come un semiconduttore gapless, con gap nullo tra la banda di valenza e quella di conduzione. Come conseguenza, è facile sintonizzare tra un semiconduttore di tipo n (gli elettroni sono i principali portatori di carica) o di tipo p (i fori sono i principali portatori di carica). L'applicazione di una tensione di gate positiva al grafene sposterà il livello di Fermi nella banda di conduzione, creando un semiconduttore di tipo p. Una tensione di gate negativa abbasserà il livello di Fermi alla banda di valenza, facendo buchi i portatori dominanti.
Questa proprietà significa che un singolo foglio di grafene può comportarsi come una giunzione p-n, come mostrato nella figura in basso. In questo caso, una tensione di gate positiva può essere applicata al primo gate, e un negativo al secondo, spostando i livelli di Fermi in quelle regioni e creando il bivio.
Non distruttivo
I precedenti tentativi di produrre giunzioni a foglio singolo hanno utilizzato un cancello superiore in combinazione con un cancello inferiore. Queste tecniche utilizzavano il substrato come porta inferiore, che abbasserebbe il livello di Fermi dell'intero lenzuolo. Un unico cancello superiore potrebbe quindi essere utilizzato per aumentare il livello di Fermi a livello locale. Però, per superare il potenziale del cancello inferiore, la tensione del gate superiore doveva essere aumentata così tanto che il grafene si danneggiava o le caratteristiche I-V diventavano altamente non lineari. Poiché la nuova struttura applica un solo gate a livello locale, sono necessarie solo tensioni molto basse, che preserva il materiale e le sue caratteristiche lineari.
L'applicazione di una tensione di gate positiva o negativa sposta il livello di Fermi sopra o sotto la banda di valenza
Anche le basse tensioni giocano un ruolo nell'idoneità del dispositivo nella produzione di THz. La maggior parte dei semiconduttori ha un band-gap che è di gran lunga maggiore dell'energia associata alla radiazione THz. La natura a gap zero del grafene significa che può operare a queste frequenze, poiché l'inversione della popolazione e la ricombinazione elettrone-lacuna possono essere sintonizzati su qualsiasi frequenza, anche la banda THz a bassa energia.
Temperato
Il funzionamento dei dispositivi al grafene nella produzione di THz è stato spiegato da Jingping Liu, l'autore principale della ricerca. La tecnica, noto come iniezione, utilizza la ricombinazione elettrone-lacuna:"per il grafene di tipo n, gli elettroni in più sono indotti dal campo elettrostatico e si accumulano nello strato di grafene, con conseguente inversione della popolazione, " disse Liu. Dopo questo, ha spiegato che "con l'assistenza del pregiudizio in avanti, gli elettroni di alto livello energetico si spostano nel grafene di tipo p, e si ricombinano con i fori nel grafene di tipo p per generare fotoni TH Z".
Mentre il team ha dimostrato che il loro dispositivo può, in linea di principio, essere utilizzato per la generazione TH Z, sono necessarie molte più ricerche per portarlo all'applicazione pratica. Il gruppo sta ora lavorando sui fenomeni di trasporto e sugli effetti della temperatura nelle giunzioni p-n del grafene. "Attraverso la ricerca sul meccanismo dinamico della giunzione p-n con corrente di iniezione, capiremo il meccanismo di trasporto elettronico della giunzione p-n, " ha detto Liu "e ottieni la probabilità di ricombinazione e il tempo di vita della ricombinazione delle radiazioni, scattering fononico e ricombinazione Auger, fornire le prove teoriche per la progettazione del modello della sorgente laser TH Z."
Liu è fiducioso che questi semplici dispositivi apriranno ulteriori applicazioni per la tecnologia THz grazie al loro funzionamento a temperatura ambiente:"I laser a cascata quantica THz stanno promettendo sorgenti THz coerenti, ma non possono essere utilizzati a temperatura ambiente, " lei disse, "tuttavia il monostrato di grafene offre opportunità uniche e nuove e sarebbe fantastico se, un giorno, una sorgente TH Z a base di grafene potrebbe essere utilizzata a temperatura ambiente".
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