A gauche) Représentation schématique de la partie centrale du dispositif photodétecteur THz à base de graphène, contenant le canal de graphène encapsulé dans hBN, au-dessus de la structure d'antenne à espace étroit. En appliquant des tensions distinctes aux branches d'antenne gauche et droite, une jonction pn est créée dans le canal de graphène avec des coefficients Seebeck inégaux à gauche et à droite de la jonction. La lumière incidente est focalisée par l'antenne au-dessus de l'espace, c'est là que la photoréponse est générée. (Droite) Mesure d'un foyer THz, obtenu en balayant le détecteur THz dans le plan du foyer. L'observation de plusieurs anneaux du motif d'Airy indique la haute sensibilité du détecteur. Crédit :ICFO
Dans une étude récente, les chercheurs ont développé un nouveau photodétecteur à base de graphène qui fonctionne à température ambiante, est très sensible, vite, a une large plage dynamique, et couvre une large gamme de fréquences THz. Les chercheurs ont acquis une solide compréhension de la façon dont l'effet PTE donne lieu à une photoréponse induite par le THz, ce qui est précieux pour une optimisation plus poussée du détecteur.
La détection de la lumière térahertz (THz) est extrêmement utile pour deux raisons principales :La technologie THz devient un élément clé dans les applications concernant la sécurité (comme les scanners d'aéroport), communication de données sans fil et contrôle qualité, pour n'en citer que quelques-uns. Cependant, les détecteurs THz actuels ont des limites, y compris en répondant simultanément aux exigences de sensibilité, la vitesse, gamme spectrale, et fonctionnant à température ambiante. Seconde, la lumière térahertz est un type de rayonnement très sûr en raison de ses photons de faible énergie, avec une énergie plus de 100 fois inférieure à celle des photons dans le domaine de la lumière visible.
Les matériaux à base de graphène sont utiles pour détecter la lumière. Le graphène n'a pas de bande interdite, par rapport aux matériaux standards utilisés pour la photodétection, comme le silicium. La bande interdite en silicium empêche l'absorption, et donc la détection, de lumière incidente avec des longueurs d'onde supérieures à un micron. En revanche, pour le graphène, même la lumière térahertz avec une longueur d'onde de centaines de microns peut être absorbée et détectée. Les détecteurs Hz à base de graphène ont montré des résultats prometteurs, mais aucun n'est encore aussi efficace que les détecteurs disponibles dans le commerce en termes de vitesse et de sensibilité.
Dans une étude récente, Les chercheurs de l'ICFO Sebastián Castilla et Dr. Bernat Terres, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Frank Koppens et ancien scientifique ICFO Dr. Klaas-Jan Tielrooij, et une collaboration internationale de chercheurs, ont su surmonter ces défis. Ils ont développé un nouveau photodétecteur activé au graphène qui fonctionne à température ambiante, et est très sensible, vite, a une large plage dynamique, et couvre une large gamme de fréquences THz.
Dans leur expérience, les scientifiques ont optimisé le mécanisme de photoréponse d'un photodétecteur THz. Ils ont intégré une antenne dipôle dans le détecteur pour concentrer la lumière THz incidente autour de la région d'entrefer de l'antenne. En fabriquant un espace d'antenne de 100 nanomètres, ils ont pu obtenir une grande concentration d'intensité de lumière incidente THz dans la région photoactive du canal de graphène. Ils ont observé que la lumière absorbée par le graphène crée des porteurs chauds à une jonction pn dans le graphène; ensuite, les coefficients Seebeck inégaux dans les régions p et n produisent une tension locale et un courant à travers le dispositif générant une très grande photoréponse, conduisant ainsi à une très sensible, détecteur à réponse rapide avec une large plage dynamique et une large couverture spectrale.
Les résultats de cette étude pourraient contribuer au développement d'un système de caméra entièrement numérique à faible coût aussi bon marché que la caméra à l'intérieur du smartphone, car un tel détecteur a une très faible consommation d'énergie et est entièrement compatible avec la technologie CMOS.
