L'imaging iperspettrale utilizza l'intero spettro della luce per fornire informazioni dettagliate sulla natura e sul suo comportamento. Queste informazioni aprono la strada a molteplici applicazioni, tra cui la guida autonoma, il monitoraggio ambientale, l'assistenza sanitaria, l'esplorazione dello spazio o anche l'agricoltura e la lavorazione degli alimenti.
L'imaging dal regime degli infrarossi a quello dei terahertz rappresenta una sfida tecnologica perché richiede dispositivi sufficientemente efficienti e sensibili sull'intera gamma dello spettro.
Finora gli unici che soddisfano parzialmente le aspettative sono gli array di fotoconduttori basati su elementi tellururo di mercurio-cadmio. Sebbene questa sia la tecnologia più adatta attualmente disponibile, la loro efficienza prestazionale nel rilevamento della luce non è molto ampia perché tendono ad essere assorbitori efficienti per determinate lunghezze d'onda ma hanno prestazioni peggiori per altre e semplicemente non hanno la capacità di rilevare le lunghezze d'onda della luce più lunghe. nel regime dei terahertz, che sta diventando sempre più rilevante per la tecnologia.
Come afferma Frank Koppens, autore corrispondente dello studio, "La torsione di materiali bidimensionali come il grafene ha rivoluzionato il campo dei materiali quantistici, guidato dalla scoperta della superconduttività non convenzionale. Ma recentemente abbiamo anche potuto vedere che si tratta di un piattaforma per un'ampia gamma di applicazioni, grazie alle sue proprietà uniche e altamente personalizzabile."
Pertanto, negli ultimi anni, il grafene a doppio strato (BLG) ha dimostrato di essere un impressionante fotorivelatore quando polarizzato da campi elettrici esterni, sebbene, a causa della sua natura 2D, l’assorbimento della luce sia piuttosto limitato. È interessante notare che BLG è compatibile con la tecnologia del silicio esistente, un must per essere introdotto sul mercato.
Tuttavia, la necessità di applicare un campo elettrico pone enormi difficoltà nell'estendere la fabbricazione in tre dimensioni, cosa che sarebbe necessaria per superare il problema del basso assorbimento del BLG.
I dispositivi ritorti a doppio strato di grafene (TDBG), d'altra parte, sono emersi come un materiale unico in grado di evitare queste restrizioni. TDBG è costituito da due pile di grafene a doppio strato ruotate o attorcigliate di un ampio angolo (15 gradi) che hanno recentemente dimostrato di creare il proprio campo elettrico intrinseco senza la necessità di elettrodi aggiuntivi che complicano la fabbricazione in caso di BLG.
Ciò ha aperto prospettive di rilevamento a banda larga in un sistema scalabile, tuttavia, fino ad ora, le capacità di rilevamento della luce di TDBG non sono state testate.
In uno studio pubblicato su Nature Photonics , i ricercatori riferiscono dello sviluppo di un nuovo fotorilevatore a banda ultralarga TDBG in grado di rilevare la luce in modo molto efficiente in un intervallo spettrale che va dal terahertz lontano (lunghezza d'onda di 100 μm, equivalente a 3 THz) fino al vicino infrarosso (2 μm di lunghezza d'onda o 150 THz) e con una buona efficienza continua in tutta la gamma, senza interruzioni.
I ricercatori dell'ICFO Hitesh Agarwal e Krystian Nowakowski sono stati guidati dal ricercatore postdoc Dr. Roshan Krishna Kumar e dal Prof. ICREA dell'ICFO Frank Koppens. Hanno lavorato in collaborazione con il gruppo del Prof. Adrian Bachtold dell'ICREA presso l'ICFO, il gruppo del prof. Giacomo Scalari dell'ETH di Zurigo e ricercatori dell'Università di Manchester, del NIMS in Giappone e del CNRS in Francia.
Il fotorilevatore a banda ultralarga ha dimostrato di avere una buona efficienza quantica interna, un miglioramento della fotoconduttività mediante screening interstrato e scalabilità di TDBG poiché non sono necessarie porte per applicare il campo elettrico per ottenere il gap di banda elettronico.
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno effettuato uno studio approfondito e comprensibile della fotorisposta nel TDBG. Hanno fabbricato diversi dispositivi di TDBG e ne hanno studiato la fotoconduttività, ovvero come cambia la loro resistenza elettrica sotto illuminazione.
Come commenta il primo coautore Krystian Nowakowski, "l'idea di questo esperimento è nata dopo aver letto uno studio in cui i ricercatori avevano trovato una piccola banda proibita elettronica nel grafene a doppio doppio strato attorcigliato (TDBG) senza la necessità di applicare un campo elettrico esterno, che di solito è necessario per aprire un bandgap elettronico nel comune stack di grafene a doppio strato (BLG)."
"La presenza di un gap di banda rende il grafene a doppio strato un buon rilevatore di luce, ma la necessità di applicare un campo elettrico esterno rappresenta una barriera per le applicazioni a causa della complessità dell'ampliamento della fabbricazione per applicazioni industriali." Dopo aver esaminato la letteratura, hanno visto che nessuno lo aveva mai testato con il "doppio" BLG o TDBG.
Quindi, il team ha messo tutti i suoi sforzi al massimo per preparare l’esperimento. Come ricorda Hitesh Agarwal, primo coautore, "creare campioni di TDBG non è un compito banale. Abbiamo iniziato esfoliando scaglie di grafene, continuando questo processo finché non siamo riusciti a trovare una scaglia di grafene a doppio strato abbastanza grande. Quindi abbiamo tagliato la scaglia a metà con un micromanipolatore, prendi una delle metà, ruotala di 15 gradi e impilala sull'altra per creare una pila TDBG."
Questi dispositivi sono stati poi raffreddati fino alla temperatura di 4 Kelvin, per eseguire misurazioni precise della resistenza elettrica. Sotto l'illuminazione con luce nel medio infrarosso, hanno visto che la resistenza diminuiva in modo significativo, il che ha suggerito la possibilità di utilizzare questi dispositivi come fotorilevatori.
Creatività nella ricerca
Dopo diversi mesi di intenso lavoro sull'esperimento, il team è stato costretto a cercare alternative logistiche e sperimentali per superare le restrizioni imposte dall'improvvisa chiusura nel 2020 per continuare lo studio, che includeva il controllo remoto delle apparecchiature per continuare le misurazioni durante le pandemie.
Il team ha lavorato duramente per impostare l'esperimento, misurare quanto più possibile per consentire loro di raccogliere e comprendere il tipo di dati che stavano ottenendo e cosa significassero effettivamente. "Una delle grandi sfide che abbiamo dovuto affrontare è stata quella di comprendere effettivamente l'origine dell'ampia risposta e confrontarla in modo affidabile con le tecnologie commerciali" ricorda Roshan Krishna Kumar.
Dopo molti mesi trascorsi ad analizzare i dati, a determinare cosa doveva essere misurato e perché, ad imparare a distinguere tra varie ipotesi e a elaborare nuove idee che avrebbero potuto facilitare l’ottenimento di risultati, sono stati finalmente in grado di quantificare l’Efficienza Quantistica Interna, indicatore della frazione dei fotoni assorbiti che vengono convertiti nella variazione misurata della corrente elettrica e hanno scoperto che l'efficienza della maggior parte dell'intervallo dello spettro era pari o superiore al 40%, che è un buon valore e molto promettente se combinato con lo spettro spettrale ultra-ampio portata e scalabilità di TDBG.
Dopo le misurazioni iniziali, i ricercatori si sono resi conto che il fotorilevatore potrebbe avere capacità di lunghezza d'onda lunga che si estende fino a 2 THz dopo aver caratterizzato il gap di banda intrinseco del TDBG, che imposta la frequenza di taglio dei loro rilevatori.
Motivato da questa allettante prospettiva, Hitesh Agarwal è volato in Svizzera per eseguire misurazioni nel laboratorio di Giacomo Scalari, esperto di tecnologie terahertz e forte collaboratore dell'ICFO nell'ambito del progetto PhotoTBG. Utilizzando le loro configurazioni personalizzate di misurazione della banda larga, hanno dimostrato la gamma di lunghezze d'onda ultralarghe riportate nello studio.
I ricercatori "si sono poi concentrati sulla comprensione del meccanismo fisico dietro il segnale misurato. Dopo un lungo brainstorming con il prof. Frank Koppens, abbiamo scoperto che la risposta è dovuta principalmente all'effetto fotoconduttivo, dove i fotoni influenzano la resistenza creando direttamente più coppie elettrone-lacuna piuttosto che l'effetto bolometrico in cui i fotoni riscaldano il campione e che influenza indirettamente la resistenza attraverso il cambiamento di temperatura."
I risultati di questo studio mostrano che i metodi e i risultati descritti possono servire da guida e punto di riferimento per altri scienziati che utilizzano la luce per studiare questi materiali contorti molto interessanti.
La spiegazione del miglioramento della conduttività mediante screening interstrato, il metodo per distinguere tra risposta bolometrica e fotoconduttiva e l'idea proposta di impilamento tridimensionale potrebbero essere utilizzati come base per ulteriori ricerche su altri materiali bidimensionali.
Ulteriori informazioni: H. Agarwal et al, Fotoconduttività a banda ultralarga in eterostrutture di grafene intrecciate con ampia reattività, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01291-0
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
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