(Phys.org)—I ricercatori hanno scoperto che un disegno frattale simile a un fiocco di neve, in cui lo stesso schema si ripete su scale sempre più piccole, può aumentare l'assorbimento ottico intrinsecamente basso del grafene. I risultati portano a fotorivelatori di grafene con un aumento dell'ordine di grandezza della fototensione, insieme al rilevamento della luce ultraveloce e altri vantaggi.

I ricercatori, della Purdue University nell'Indiana, includono gli studenti laureati Jieran Fang e Di Wang, guidati dai professori Alex Kildishev, Alessandra Boltasseva, e Vlad Shalaev, insieme ai loro collaboratori del gruppo del professor Yong P. Chen. Il team ha pubblicato un articolo sul nuovo design frattale del fotorilevatore al grafene in un recente numero di Nano lettere .

I fotorivelatori sono dispositivi che rilevano la luce convertendo i fotoni in corrente elettrica. Hanno una vasta gamma di applicazioni, anche nei telescopi a raggi X, mouse senza fili, telecomandi TV, sensori robotici, e videocamere. Gli attuali fotorivelatori sono spesso realizzati in silicio, germanio, o altri semiconduttori comuni, ma recentemente i ricercatori hanno studiato la possibilità di realizzare fotorivelatori con il grafene.

Sebbene il grafene abbia molte proprietà ottiche ed elettriche promettenti, come l'uniforme, assorbimento ottico a banda ultra larga, insieme alla velocità degli elettroni ultraveloce, il fatto che sia spesso un solo atomo gli conferisce un assorbimento ottico intrinsecamente basso, che è il suo principale svantaggio per l'uso nei fotorivelatori.

Per affrontare il basso assorbimento ottico del grafene, i ricercatori della Purdue hanno progettato un fotorilevatore al grafene con contatti dorati sotto forma di una metasuperficie frattale simile a un fiocco di neve. Hanno dimostrato che il modello frattale fa un lavoro migliore nel raccogliere fotoni su un'ampia gamma di frequenze rispetto a un semplice bordo dorato-grafene, consentendo al nuovo design di generare 10 volte più fotovoltaggio.

Il nuovo fotorivelatore al grafene ha molti altri vantaggi, come che è sensibile alla luce di qualsiasi angolo di polarizzazione, che è in contrasto con quasi tutti gli altri fotorivelatori di grafene potenziati dal plasma in cui la sensibilità è dipendente dalla polarizzazione. Anche il nuovo fotorivelatore al grafene è a banda larga, migliorare il rilevamento della luce attraverso l'intero spettro visibile. Inoltre, a causa della velocità intrinsecamente elevata degli elettroni del grafene, il nuovo fotorilevatore può rilevare la luce molto rapidamente.

"In questo lavoro, abbiamo risolto un problema vitale di migliorare la sensibilità intrinsecamente bassa nei fotorivelatori di grafene su un'ampia gamma spettrale e in modo insensibile alla polarizzazione, utilizzando un design intelligente auto-simile di una metasuperficie frattale plasmonica, " Wang ha detto Phys.org . "Per quello che ci risulta, questi due attributi non sono stati raggiunti nei fotorilevatori di grafene potenziati con plasmonici riportati in precedenza".

I ricercatori hanno spiegato che queste caratteristiche possono essere attribuite direttamente al modello frattale.

"La nostra metasuperficie frattale proposta ha la capacità unica di supportare risonanze plasmoniche (oscillazioni di elettroni liberi) su un'ampia gamma spettrale in modo insensibile alla polarizzazione grazie alla sua geometria complessa e altamente esagonale simmetrica, Kildishev ha detto. e quindi il miglioramento è anche a banda stretta e sensibile alla polarizzazione."

Come hanno dimostrato ricerche precedenti, la ragione per cui un modello frattale può migliorare l'assorbimento ottico è che la metasuperficie frattale crea risonanze aggiuntive, con la quantità di risonanza che aumenta all'aumentare del numero di livelli frattali. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la metasuperficie frattale confina e migliora il campo elettrico della luce che colpisce la superficie. Questo alla fine porta a una fototensione più elevata generata nel fotorilevatore di grafene.

Come Kildishev ha spiegato in modo più dettagliato, ci sono due principali meccanismi di induzione del fotovoltaggio in un fotorivelatore a base di grafene:l'effetto fotovoltaico e l'effetto fototermoelettrico. L'effetto fotovoltaico utilizza il campo elettrico incorporato indotto da regioni diversamente drogate nel grafene per separare le coppie di lacune di elettroni eccitate otticamente nel grafene. L'effetto fototermoelettrico spinge gli elettroni liberi nel grafene attraverso regioni con differenti poteri termoelettrici (coefficienti di Seebeck), dato un gradiente di temperatura tra le due regioni.

La metasuperficie frattale migliora entrambi gli effetti nei fotorivelatori di grafene aumentando l'intensità del campo elettrico e riscaldando tramite luce incidente in spazi molto ristretti.

"La metasuperficie frattale migliora il fotovoltaggio facendo uso della risonanza plasmonica:oscillazioni di elettroni liberi nell'oro sotto l'eccitazione della luce, " ha detto Kildishev. "Questo quindi limita l'energia elettromagnetica a volumi ultra-piccoli, generando eccessive coppie elettrone-lacuna nel grafene che vengono poi separate dall'effetto fotovoltaico. La luce incidente riscalda anche la struttura plasmonica per creare un ampio gradiente di temperatura attraverso l'interfaccia metallo/grafene, dando luogo a una risposta fototermoelettrica più forte."

Nel futuro, i ricercatori intendono esplorare le potenziali applicazioni dei fotorivelatori di grafene, che potrebbe estendersi oltre il fotorilevamento al fotoraccolto, con applicazioni come celle solari e riscaldamento ottico. Le tecnologie che richiedono una risposta rapida potrebbero anche sperimentare miglioramenti significativi grazie alla velocità di funzionamento del fotorilevatore al grafene.

"Un grande attributo del rivelatore fotovoltaico/fototermoelettrico al grafene è che reagisce alla luce a una velocità estremamente elevata, grazie all'ultraveloce velocità di spostamento degli elettroni (effetto fotovoltaico) e al brevissimo tempo necessario agli elettroni per cedere calore (effetto fototermoelettrico) nel grafene, "Ha detto Wang. "Tale velocità di risposta non ha eguali in altri materiali di fotorilevamento.

"È noto che il potenziamento plasmonico sacrifica in misura minore la velocità di risposta ultraveloce. Pertanto, i fotorivelatori di grafene potenziati dal plasmonico sono promettenti per la lettura del modulatore completamente ottico e altre applicazioni in cui la velocità di risposta è fondamentale. Inoltre, il grafene ha un bandgap nullo (o sintonizzabile) e un assorbimento ottico uniforme nell'intero spettro elettromagnetico. Perciò, i fotorivelatori di grafene possono in linea di principio essere utilizzati per rilevare la luce di qualsiasi frequenza con la stessa sensibilità, che ancora una volta non ha eguali da altri rilevatori realizzati con altri materiali di fotorilevamento."

© 2017 Phys.org