L'équipe de recherche du professeur adjoint Tingyi Gu comprend (de gauche à droite) l'étudiant diplômé Dun Mao, le doctorant Thomas Kananen et l'associé postdoctoral Tiantian Li. Crédit :Université du Delaware
Si vous utilisez un smartphone, portable, ou tablette, alors vous bénéficiez de la recherche en photonique, l'étude de la lumière. A l'Université du Delaware, une équipe dirigée par Tingyi Gu, professeur assistant en génie électrique et informatique, développe une technologie de pointe pour les appareils photoniques qui pourraient permettre des communications plus rapides entre les appareils et ainsi, les personnes qui les utilisent.
Le groupe de recherche a récemment mis au point un dispositif silicium-graphène capable de transmettre des ondes radiofréquences en moins d'une picoseconde à une bande passante inférieure au térahertz - c'est beaucoup d'informations, vite. Leur travail est décrit dans un nouvel article publié dans la revue Matériaux électroniques appliqués ACS .
"Dans ce travail, nous avons exploré la limitation de bande passante de la photonique sur silicium intégrée au graphène pour de futures applications optoélectroniques, " a déclaré l'étudiant diplômé Dun Mao, le premier auteur de l'article.
Le silicium est un produit naturel, matériau abondant couramment utilisé comme semi-conducteur dans les appareils électroniques. Cependant, les chercheurs ont épuisé le potentiel des dispositifs avec des semi-conducteurs composés uniquement de silicium. Ces dispositifs sont limités par la mobilité des porteurs du silicium, la vitesse à laquelle une charge se déplace à travers le matériau, et bande interdite indirecte, ce qui limite sa capacité à libérer et à absorber la lumière.
Maintenant, L'équipe de Gu combine le silicium avec un matériau aux propriétés plus favorables, le graphène matériel 2-D. Les matériaux 2-D tirent leur nom du fait qu'ils ne sont qu'une seule couche d'atomes. Par rapport au silicium, le graphène a une meilleure mobilité des porteurs et une bande interdite directe et permet une transmission plus rapide des électrons et de meilleures propriétés électriques et optiques. En combinant le silicium avec le graphène, les scientifiques pourraient peut-être continuer à utiliser des technologies déjà utilisées avec des dispositifs en silicium – ils fonctionneraient simplement plus rapidement avec la combinaison silicium-graphène.
Une équipe de l'Université du Delaware a conçu un dispositif silicium-graphène capable de transmettre des ondes radiofréquences en moins d'une picoseconde à une bande passante inférieure au térahertz. Crédit :Université du Delaware
"En regardant les propriétés des matériaux, pouvons-nous faire plus que ce avec quoi nous travaillons ? C'est ce que nous voulons comprendre, ", a déclaré le doctorant Thomas Kananen.
Pour combiner le silicium avec le graphène, l'équipe a utilisé une méthode qu'elle a développée et décrite dans un article publié en 2018 dans npj 2-D Materials and Application. L'équipe a placé le graphène dans un endroit spécial connu sous le nom de jonction p-i-n, une interface entre les matériaux. En plaçant le graphène à la jonction p-i-n, l'équipe a optimisé la structure d'une manière qui améliore la réactivité et la vitesse de l'appareil.
Cette méthode est robuste et pourrait être facilement appliquée par d'autres chercheurs. Ce processus a lieu sur une plaquette de 12 pouces de matériau mince et utilise des composants de moins d'un millimètre chacun. Certains composants ont été fabriqués dans une fonderie commerciale. D'autres travaux ont eu lieu dans l'installation de nanofabrication d'UD, dont Matt Doty, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, est le directeur.
"L'UD Nanofabrication Facility (UDNF) est une installation soutenue par le personnel qui permet aux utilisateurs de fabriquer des dispositifs sur des échelles de longueur aussi petites que 7 nm, qui est d'environ 10, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain, " dit Doty. " L'UDNF, qui a ouvert en 2016, a permis de nouvelles directions de recherche dans des domaines allant de l'optoélectronique à la biomédecine en passant par la science des plantes."
Si vous utilisez un smartphone, portable, ou tablette, alors vous bénéficiez de la recherche en photonique, l'étude de la lumière. La recherche impliquait la fabrication de dispositifs à l'installation de nanofabrication d'UD. Crédit :Université du Delaware
La combinaison de silicium et de graphène peut être utilisée comme photodétecteur, qui sent la lumière et produit du courant, avec plus de bande passante et un temps de réponse inférieur aux offres actuelles. Toutes ces recherches pourraient s'avérer moins chères, appareils sans fil plus rapides à l'avenir. "Cela peut rendre le réseau plus fort, mieux et moins cher, ", a déclaré Tiantian Li, associé postdoctoral et premier auteur de l'article sur les matériaux et applications 2D du npj. "C'est un point clé de la photonique."
L'équipe réfléchit maintenant aux moyens d'étendre les applications de ce matériau. « Nous envisageons davantage de composants basés sur une structure similaire, " dit Gu.
