Un photodétecteur au graphène avec des contacts en or sous la forme d'un motif fractal en forme de flocon de neige a une absorption optique plus élevée et une augmentation de l'ordre de grandeur du photovoltage, par rapport aux photodétecteurs au graphène qui ont des contacts avec des bords plats. Crédit :Fang et al. ©2016 Société chimique américaine
(Phys.org)—Les chercheurs ont découvert qu'une conception fractale en forme de flocon de neige, dans lequel le même motif se répète à des échelles de plus en plus petites, peut augmenter l'absorption optique intrinsèquement faible du graphène. Les résultats conduisent à des photodétecteurs au graphène avec une augmentation de l'ordre de grandeur du photovoltage, ainsi qu'une détection ultrarapide de la lumière et d'autres avantages.
Les chercheurs, de l'Université Purdue dans l'Indiana, comprennent les étudiants diplômés Jieran Fang et Di Wang, qui étaient guidés par les professeurs Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, et Vlad Shalaev, ainsi que leurs collaborateurs du groupe du professeur Yong P. Chen. L'équipe a publié un article sur la nouvelle conception fractale du photodétecteur de graphène dans un récent numéro de Lettres nano .
Les photodétecteurs sont des dispositifs qui détectent la lumière en convertissant les photons en courant électrique. Ils ont une grande variété d'applications, y compris dans les télescopes à rayons X, souris sans fil, télécommandes de télévision, capteurs robotiques, et des caméras vidéo. Les photodétecteurs actuels sont souvent en silicium, germanium, ou d'autres semi-conducteurs courants, mais récemment, des chercheurs ont étudié la possibilité de fabriquer des photodétecteurs à partir de graphène.
Bien que le graphène possède de nombreuses propriétés optiques et électriques prometteuses, comme l'uniforme, absorption optique ultra large bande, avec la vitesse ultra-rapide des électrons, le fait qu'il n'ait qu'un seul atome d'épaisseur lui confère une absorption optique intrinsèquement faible, ce qui est son inconvénient majeur pour une utilisation dans des photodétecteurs.
Pour remédier à la faible absorption optique du graphène, les chercheurs de Purdue ont conçu un photodétecteur au graphène avec des contacts en or sous la forme d'une métasurface fractale en forme de flocon de neige. Ils ont démontré que le motif fractal collecte mieux les photons sur une large gamme de fréquences par rapport à un bord or-graphène ordinaire, permettant au nouveau design de générer 10 fois plus de photovoltaïque.
Le nouveau photodétecteur au graphène présente plusieurs autres avantages, tel qu'il est sensible à la lumière de n'importe quel angle de polarisation, ce qui contraste avec presque tous les autres photodétecteurs au graphène améliorés plasmoniques dans lesquels la sensibilité dépend de la polarisation. Le nouveau photodétecteur au graphène est également à large bande, amélioration de la détection de la lumière sur l'ensemble du spectre visible. En outre, en raison de la vitesse des électrons intrinsèquement rapide du graphène, le nouveau photodétecteur peut détecter la lumière très rapidement.
"Dans ce travail, nous avons résolu un problème vital d'amélioration de la sensibilité intrinsèquement faible des photodétecteurs au graphène sur une large gamme spectrale et d'une manière insensible à la polarisation, en utilisant une conception auto-similaire intelligente d'une métasurface fractale plasmonique, " Wang a dit Phys.org . "A notre connaissance, ces deux attributs n'ont pas été atteints dans les photodétecteurs au graphène améliorés plasmoniques précédemment rapportés."
Les chercheurs ont expliqué que ces caractéristiques peuvent être directement attribuées au motif fractal.
Niveaux fractals de la conception fractale en forme de flocon de neige, ainsi qu'une simulation du champ électrique sous la métasurface fractale de l'or. Crédit :Fang et al. ©2016 Société chimique américaine
"Notre métasurface fractale proposée a la capacité unique de supporter des résonances plasmoniques (oscillations d'électrons libres) sur une large gamme spectrale d'une manière insensible à la polarisation en raison de sa géométrie complexe et hautement symétrique hexagonale, ", a déclaré Kildishev. "Les photodétecteurs de graphène améliorés plasmoniques précédemment rapportés utilisent des structures plus simples à bande étroite et sensibles à la polarisation, et donc l'amélioration est également à bande étroite et sensible à la polarisation."
Comme des recherches antérieures l'ont montré, la raison pour laquelle un motif fractal peut améliorer l'absorption optique est que la métasurface fractale crée des résonances supplémentaires, avec la quantité de résonance augmentant à mesure que le nombre de niveaux fractals augmente. En outre, les chercheurs ont découvert ici que la métasurface fractale confine et améliore le champ électrique de la lumière qui frappe la surface. Cela conduit finalement à une tension photovoltaïque plus élevée générée dans le photodétecteur au graphène.
Comme Kildishev l'a expliqué plus en détail, il existe deux mécanismes majeurs d'induction de la tension photovoltaïque dans un photodétecteur à base de graphène :l'effet photovoltaïque et l'effet photothermoélectrique. L'effet photovoltaïque utilise le champ électrique intégré induit par des régions dopées différemment dans le graphène pour séparer les paires de trous d'électrons optiquement excités dans le graphène. L'effet photothermoélectrique entraîne les électrons libres dans le graphène à travers des régions avec des puissances thermoélectriques différentes (coefficients de Seebeck), étant donné un gradient de température entre les deux régions.
La métasurface fractale améliore les deux effets dans les photodétecteurs au graphène en augmentant l'intensité du champ électrique et en chauffant via la lumière incidente dans des espaces très confinés.
"La métasurface fractale améliore le photovoltage en utilisant la résonance plasmonique - des oscillations d'électrons libres dans l'or sous l'excitation de la lumière, " a déclaré Kildishev. " Cela confine alors l'énergie électromagnétique à des volumes ultra-petits, générer des paires électron-trou excessives dans le graphène qui sont ensuite séparées par l'effet photovoltaïque. La lumière incidente chauffe également la structure plasmonique pour créer un grand gradient de température à travers l'interface métal/graphène, donnant lieu à une réponse photothermoélectrique plus forte."
À l'avenir, les chercheurs envisagent d'explorer les applications potentielles des photodétecteurs au graphène, qui pourrait s'étendre au-delà de la photodétection à la photorécolte, avec des applications telles que les cellules solaires et le chauffage optique. Les technologies qui nécessitent une réponse rapide pourraient également connaître des améliorations significatives en raison de la vitesse de fonctionnement rapide du photodétecteur au graphène.
"Un grand attribut du détecteur photovoltaïque/photothermoélectrique au graphène est qu'il réagit à la lumière à une vitesse extrêmement rapide, grâce à la vitesse de déplacement ultrarapide des électrons (effet photovoltaïque) et au temps ultracourt dont les électrons ont besoin pour dégager de la chaleur (effet photothermoélectrique) dans le graphène, " a déclaré Wang. " Une telle vitesse de réponse est inégalée par d'autres matériaux de photodétection.
« L'amélioration plasmonique est connue pour sacrifier la vitesse de réponse ultrarapide dans une moindre mesure. Par conséquent, Les photodétecteurs au graphène améliorés par plasmonique sont prometteurs pour la lecture de modulateurs tout optiques et d'autres applications où la vitesse de réponse est essentielle. De plus, le graphène a une bande interdite nulle (ou réglable) et une absorption optique uniforme dans tout le spectre électromagnétique. Par conséquent, les photodétecteurs au graphène peuvent en principe être utilisés pour détecter la lumière de n'importe quelle fréquence avec une sensibilité identique, ce qui est encore une fois inégalé par d'autres détecteurs constitués d'autres matériaux de photodétection."
© 2017 Phys.org
