Grafen to materiał, którego możliwości technologiczne wciąż zaskakują. Austriaccy naukowcy z Vienna University of Technology stworzyli grafenowe fotodetektory zintegrowane z półprzewodnikowymi układami scalonymi CMOS.
Wielokrotnie słyszeliśmy już o grafenowych tranzystorach, głośno było o zastosowaniu grafenu w ogniwach słonecznych i kompozytach metalowych. Ostatnio grafen posłużył jako podłoże do stworzenia rekordowo cienkiego szkła 2D a także do wzmocnienia rakiet tenisowych. Teraz czas na zintegrowane fotodetektory.
Obecnie informacje przekazywane są na świecie głównie w formie światła, poprzez przewody światłowodowe. Aby układy scalone mogły je odczytać, sygnały optyczne muszą zostać przekształcone w elektryczne. Detektor światła jest więc swoistą bramką na autostradzie danych, która przetwarza fotony na inne sygnały, w tym na sygnały elektryczne. Proces fotodetekcji, polega na optycznej absorpcji fotonów w materiale półprzewodnikowym. Jeżeli energia fotonu przekracza szerokość przerwy energetycznej materiału to przy absorpcji fotonu generowana jest para elektron-dziura. Jeżeli potraktujemy półprzewodnik napięciem zewnętrznym, spowodujemy przepływ prądu, dzięki powstałym nośnikom.
Naukowcom z wiedeńskiej uczelni udało się połączyć fotodetektory wykonane z grafenu, z krzemowym, półprzewodnikom podłożem CMOS. Grafen jest optymalnym materiałem do przekształcania sygnałów optycznych w elektryczne, ze względu na bardzo dużą szybkość działania. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Photonics, 15 września 2013 roku.
Integracja tradycyjnych germanowych i innych półprzewodnikowych fotodetektorów z krzemowym podłożem niesie ze sobą pewne ograniczenia. Germanowe fotodetektory osadzone bezpośrednio na układzie scalonym mogą przetwarzać światło o ogranicznej długości fali. Grafenowe fotodetektory obejmują wszystkie długości fal światła wykorzystywane w telekomunikacji. Grafen, który składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonej heksagonalnie jest szczególnym materiałem, pozwalającym konwertować wiązkę światła na sygnały elektryczne w bardzo krótkim czasie.
Badacze stworzyli układ zawierający falowód o wymiarach 200 na 500 nanometrów, który przenosi sygnały optyczne do warstwy grafenu, gdzie są przekształcane na prąd. Grafenowe fotodetektory są nie tylko bardzo szybkie i energooszczędne, ale także kompaktowe. Na układzie scalonym o powierzchni 1cm^2 można umieścić około 20 000 detektorów. Teoretycznie chip pozwala na obsługę takiej samej liczby kanałów transmisji.
Grafenowe fotodetektory przeznaczone do użytku powszechnego to z pewnością śpiewka przyszłości. Już dziś jednak można powiedzieć, że to interesująca alternatywa przy obecnym rozwoju technologii światłowodowych.
Źródło:
[1] CMOS-compatible graphene photodetector covering all optical communication bands. doi:10.1038/nphoton.2013.240
[2] http://www.tuwien.ac.at/aktuelles/news_detail/article/8372/ | 17.09.2013
[3] http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/
full/nphoton.2013.240.html | 17.09.2013
[4] The quantum core by Anders Sandberg (Arenamontanus), flickr.com, CC BY 2.0