La couche de graphène a deux portes pour créer des changements locaux de porteur de charge.
Des chercheurs au Canada ont conçu et fabriqué une jonction p-n de graphène à feuille unique avec deux portes supérieures. La technique standard, en utilisant une porte supérieure et une porte inférieure, peut endommager la couche de graphène. Ceci est évité dans la nouvelle méthode, qui offre également des caractéristiques I-V linéaires à basse tension de grille. La structure à deux grilles supérieures devrait être une voie pratique vers une source térahertz à température ambiante.
Gapless
Le graphène se comporte comme un semi-conducteur sans gap, avec un écart nul entre la bande de valence et la bande de conduction. En conséquence, il est facile de s'accorder entre un semi-conducteur de type n (les électrons sont les principaux porteurs de charge) ou de type p (les trous sont les principaux porteurs de charge). L'application d'une tension de grille positive au graphène déplacera le niveau de Fermi dans la bande de conduction, créer un semi-conducteur de type p. Une tension de grille négative abaissera le niveau de Fermi jusqu'à la bande de valence, faire des trous les vecteurs dominants.
Cette propriété signifie qu'une seule feuille de graphène peut se comporter comme une jonction p-n, comme le montre la figure du bas. Dans ce cas, une tension de grille positive peut être appliquée à la première grille, et un négatif à la seconde, déplacer les niveaux de Fermi dans ces régions et créer la jonction.
Non destructif
Des tentatives antérieures pour fabriquer des jonctions à feuille unique ont utilisé une grille supérieure en conjonction avec une grille inférieure. Ces techniques utilisaient le substrat comme grille inférieure, ce qui abaisserait le niveau de Fermi de toute la feuille. Une seule grille supérieure pourrait alors être utilisée pour élever localement le niveau de Fermi. Cependant, pour surmonter le potentiel de grille inférieur, la tension de grille supérieure devait être si élevée que le graphène était endommagé ou que les caractéristiques I-V devenaient hautement non linéaires. Comme la nouvelle structure n'applique qu'une seule porte localement, seules de très faibles tensions sont nécessaires, qui préserve le matériau et ses caractéristiques linéaires.
L'application d'une tension de grille positive ou négative décale le niveau de Fermi au-dessus ou en dessous de la bande de valence
Les basses tensions jouent également un rôle dans l'adéquation de l'appareil à la production THz. La plupart des semi-conducteurs ont une bande interdite bien supérieure à l'énergie associée au rayonnement THz. La nature sans espace du graphène signifie qu'il peut fonctionner à ces fréquences, comme l'inversion de population et la recombinaison électron-trou peuvent être réglées sur n'importe quelle fréquence, même la bande THz à basse énergie.
Tempéré
Le fonctionnement des dispositifs au graphène dans la production THz a été expliqué par Jingping Liu, l'auteur principal de la recherche. La technique, connu sous le nom d'injection, utilise la recombinaison électron-trou :"pour le graphène de type n, des électrons supplémentaires sont induits par le champ électrostatique et s'accumulent dans la couche de graphène, entraînant une inversion de la population, " dit Liu. Après cela, elle a expliqué qu'« avec l'aide de la polarisation directe, les électrons de haut niveau d'énergie se déplacent vers le graphène de type p, et se recombinent avec les trous du graphène de type p pour générer des photons TH Z."
Alors que l'équipe a montré que leur appareil peut, en principe, être utilisé pour la génération TH Z, beaucoup plus de recherches sont nécessaires pour l'appliquer à la pratique. Le groupe travaille maintenant sur les phénomènes de transport et les effets de la température dans les jonctions p-n du graphène. "Grâce aux recherches sur le mécanisme dynamique de la jonction p-n avec le courant d'injection, nous comprendrons le mécanisme de transport électronique de la jonction p-n, " a déclaré Liu " et obtenez la probabilité de recombinaison et la durée de vie de la recombinaison du rayonnement, diffusion de phonons et recombinaison Auger, pour fournir les preuves théoriques de la conception du modèle de la source laser TH Z."
Liu est convaincu que ces dispositifs simples ouvriront de nouvelles applications pour la technologie THz par leur fonctionnement à température ambiante :« Les lasers à cascade quantique THz promettent des sources THz cohérentes, mais ils ne peuvent pas fonctionner à température ambiante, " elle a dit, "Cependant, la monocouche de graphène offre des opportunités uniques et nouvelles et ce serait formidable si, un jour, une source TH Z à base de graphène pourrait fonctionner à température ambiante."
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