Il team di ricerca del professore assistente Tingyi Gu comprende (da sinistra a destra) lo studente laureato Dun Mao, studente di dottorato Thomas Kananen e associato post-dottorato Tiantian Li. Credito:Università del Delaware
Se usi uno smartphone, il computer portatile, o tablet, allora beneficerai della ricerca in fotonica, lo studio della luce. All'Università del Delaware, una squadra guidata da Tingyi Gu, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, sta sviluppando una tecnologia all'avanguardia per dispositivi fotonici che potrebbe consentire comunicazioni più veloci tra dispositivi e, quindi, le persone che li usano.
Il gruppo di ricerca ha recentemente progettato un dispositivo al silicio-grafene in grado di trasmettere onde a radiofrequenza in meno di un picosecondo a una larghezza di banda inferiore a terahertz:sono molte informazioni, veloce. Il loro lavoro è descritto in un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Materiali elettronici applicati ACS .
"In questo lavoro, abbiamo esplorato la limitazione della larghezza di banda della fotonica del silicio integrata nel grafene per future applicazioni optoelettroniche, " ha detto lo studente laureato Dun Mao, il primo autore del saggio.
Il silicio è un naturale, abbondante materiale comunemente usato come semiconduttore nei dispositivi elettronici. Però, i ricercatori hanno esaurito il potenziale dei dispositivi con semiconduttori fatti di solo silicio. Questi dispositivi sono limitati dalla mobilità del vettore del silicio, la velocità con cui una carica si muove attraverso il materiale, e bandgap indiretto, che limita la sua capacità di rilasciare e assorbire la luce.
Ora, Il team di Gu sta combinando il silicio con un materiale con proprietà più favorevoli, il materiale 2-D grafene. I materiali 2-D prendono il loro nome perché sono solo un singolo strato di atomi. Rispetto al silicio, il grafene ha una migliore mobilità dei portatori e un bandgap diretto e consente una trasmissione degli elettroni più rapida e migliori proprietà elettriche e ottiche. Combinando il silicio con il grafene, gli scienziati potrebbero essere in grado di continuare a utilizzare tecnologie già utilizzate con i dispositivi al silicio:funzionerebbero più velocemente con la combinazione silicio-grafene.
Un team dell'Università del Delaware ha progettato un dispositivo al silicio-grafene in grado di trasmettere onde a radiofrequenza in meno di un picosecondo con una larghezza di banda inferiore a terahertz. Credito:Università del Delaware
"Guardando le proprietà dei materiali, possiamo fare di più di quello con cui stiamo lavorando? Questo è quello che vogliamo capire, ", ha detto il dottorando Thomas Kananen.
Per combinare il silicio con il grafene, il team ha utilizzato un metodo sviluppato e descritto in un articolo pubblicato nel 2018 su npj 2-D Materials and Application. Il team ha posizionato il grafene in un luogo speciale noto come giunzione p-i-n, un'interfaccia tra i materiali. Posizionando il grafene alla giunzione p-i-n, il team ha ottimizzato la struttura in modo da migliorare la reattività e la velocità del dispositivo.
Questo metodo è robusto e potrebbe essere facilmente applicato da altri ricercatori. Questo processo avviene su un wafer da 12 pollici di materiale sottile e utilizza componenti più piccoli di un millimetro ciascuno. Alcuni componenti sono stati realizzati in una fonderia commerciale. Altri lavori hanno avuto luogo nella Nanofabrication Facility di UD, di cui Matt Doty, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, è il regista.
"L'UD Nanofabrication Facility (UDNF) è una struttura supportata dal personale che consente agli utenti di fabbricare dispositivi su scale di lunghezza fino a 7 nm, che è circa 10, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano, " disse Doty. "L'UDNF, che ha aperto nel 2016, ha consentito nuove direzioni di ricerca in campi che vanno dall'optoelettronica alla biomedicina alla scienza delle piante".
Se usi uno smartphone, il computer portatile, o tablet, allora beneficerai della ricerca in fotonica, lo studio della luce. La ricerca ha coinvolto la fabbricazione di dispositivi presso la Nanofabrication Facility di UD. Credito:Università del Delaware
La combinazione di silicio e grafene può essere utilizzata come fotorilevatore, che percepisce la luce e produce corrente, con più larghezza di banda e un tempo di risposta inferiore rispetto alle offerte attuali. Tutta questa ricerca potrebbe risultare più economica, dispositivi wireless più veloci in futuro. "Può rafforzare la rete, migliore e più economico, ", ha affermato Tiantian Li, associato post-dottorato e primo autore dell'articolo npj 2-D Materials and Application. "Questo è un punto chiave della fotonica".
Ora il team sta pensando a come espandere le applicazioni di questo materiale. "Stiamo cercando più componenti basati su una struttura simile, " disse Gu.
