I ricercatori hanno risolto un problema che ostacolava lo sviluppo di dispositivi ottici altamente sensibili realizzati con un materiale chiamato grafene, un progresso che potrebbe portare applicazioni dall'imaging e display ai sensori e alle comunicazioni ad alta velocità.

Il grafene è uno strato estremamente sottile di carbonio che è promettente per l'optoelettronica, e i ricercatori stanno cercando di sviluppare fotorivelatori a base di grafene, dispositivi critici per molte tecnologie. Però, i tipici fotorivelatori in grafene hanno solo una piccola area sensibile alla luce, limitandone le prestazioni.

Ora, i ricercatori hanno risolto il problema combinando il grafene con un substrato di carburo di silicio relativamente molto più grande, creazione di transistor ad effetto di campo al grafene, o GFET, che può essere attivato dalla luce, disse Yong Chen, un professore di fisica e astronomia della Purdue University e di ingegneria elettrica e informatica, e direttore del Purdue Quantum Center.

I fotorilevatori ad alte prestazioni potrebbero essere utili per applicazioni tra cui comunicazioni ad alta velocità e fotocamere ultrasensibili per l'astrofisica, così come le applicazioni di rilevamento e l'elettronica indossabile. Gli array di transistor a base di grafene potrebbero portare immagini e display ad alta risoluzione.

"Nella maggior parte delle fotocamere sono necessari molti pixel, " ha detto Igor Jovanovic, un professore di ingegneria nucleare e scienze radiologiche presso l'Università del Michigan. "Però, il nostro approccio potrebbe rendere possibile una fotocamera molto sensibile in cui hai relativamente pochi pixel ma hai ancora un'alta risoluzione."

Nuovi risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura . Il lavoro è stato eseguito dai ricercatori della Purdue, l'Università del Michigan e la Pennsylvania State University.

"Nei tipici fotorivelatori a base di grafene dimostrati finora, la fotorisposta proviene solo da posizioni specifiche vicino al grafene su un'area molto più piccola delle dimensioni del dispositivo, " ha detto Jovanovic. "Tuttavia, per molte applicazioni di dispositivi optoelettronici, è desiderabile ottenere la fotorisposta e la sensibilità posizionale su un'area molto più ampia."

Nuove scoperte mostrano che il dispositivo è sensibile alla luce anche quando il carburo di silicio è illuminato a distanze lontane dal grafene. Le prestazioni possono essere aumentate fino a 10 volte a seconda di quale parte del materiale è illuminata. Il nuovo fototransistor è anche "sensibile alla posizione, " significa che può determinare la posizione da cui proviene la luce, che è importante per le applicazioni di imaging e per i rilevatori.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato l'uso di un piccolo pezzo di grafene su un grande wafer di carburo di silicio per ottenere il fotorilevamento non locale, così la luce non deve colpire il grafene stesso, " Disse Chen. "Ecco, la luce può essere incidente su un'area molto più ampia, quasi un millimetro, cosa mai fatta prima".

Viene applicata una tensione tra il lato posteriore del carburo di silicio e il grafene, creando un campo elettrico nel carburo di silicio. La luce in ingresso genera "portafoto" nel carburo di silicio.

"Il semiconduttore fornisce i media che interagiscono con la luce, " disse Jovanovic. "Quando entra la luce, una parte del dispositivo diventa conduttiva e questo cambia il campo elettrico che agisce sul grafene."

Questo cambiamento nel campo elettrico cambia anche la conduttività del grafene stesso, che viene rilevato. L'approccio è chiamato rilevamento foto ad effetto di campo.

Il carburo di silicio è "non drogato, " a differenza dei semiconduttori convenzionali nei transistor a base di silicio. L'essere non drogato rende il materiale un isolante a meno che non sia esposto alla luce, che lo fa temporaneamente diventare parzialmente conduttivo, modificando il campo elettrico sul grafene.

"Questa è una novità di questo lavoro, " disse Chen.

La ricerca è correlata al lavoro per sviluppare nuovi sensori a base di grafene progettati per rilevare le radiazioni ed è stata finanziata con una sovvenzione congiunta della National Science Foundation e del Dipartimento per la sicurezza interna degli Stati Uniti e un'altra sovvenzione della Defense Threat Reduction Agency.

"Questo articolo in particolare riguarda un sensore per rilevare i fotoni, ma i principi sono gli stessi per altri tipi di radiazioni, " Ha detto Chen. "Stiamo usando il sensibile transistor al grafene per rilevare il campo elettrico modificato causato dai fotoni, luce in questo caso, interagendo con un substrato di carburo di silicio."

I rilevatori di luce possono essere utilizzati in dispositivi chiamati scintillatori, che servono per rilevare le radiazioni. Le radiazioni ionizzanti creano brevi lampi di luce, che negli scintillatori vengono rilevati da dispositivi chiamati tubi fotomoltiplicatori, una tecnologia all'incirca centenaria.

"Quindi c'è molto interesse nello sviluppo di dispositivi avanzati basati su semiconduttori in grado di ottenere la stessa funzione, " ha detto Jovanovic.

Il documento è stato scritto dall'ex ricercatore postdottorato di Purdue Biddut K. Sarker; l'ex studente laureato della Penn State Edward Cazalas; Ting-Fung Chung, studente laureato alla Purdue; l'ex studente laureato alla Purdue Isaac Childres; Jovanovic; e Chen.

I ricercatori hanno anche spiegato le loro scoperte con un modello computazionale. I transistor sono stati fabbricati presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.

La ricerca futura includerà il lavoro per esplorare applicazioni come scintillatori, tecnologie di imaging per l'astrofisica e sensori per radiazioni ad alta energia.