Aunque la tecnología 6G tiene una frecuencia de comunicación entre 0,1 y 0,28 terahercios, construir detectores de alto rendimiento para detectar frecuencias de tecnología 6G en grandes áreas a temperatura ambiente es un desafío.
Estudio: detectores de terahercios para tecnología 6G que utilizan matrices de microruedas de convergencia cóncava 3D Quantum Dot. Crédito: Dmitri Demidovich/Shutterstock.com
En un artículo reciente publicado en la revista ACS Photonics, los investigadores fabricaron un detector de terahercios (THz) basado en sulfuro de plomo (PbS) utilizando puntos cuánticos y microruedas como una versión mejorada del detector THz tradicional con un rendimiento mejorado a temperatura ambiente.
La matriz de microruedas basada en puntos cuánticos se construyó sobre un sustrato delgado de nitruro de galio (GaN)/silicio (Si) con la rueda periódica grabada. Además, la convergencia cóncava de la matriz de microrradiación de puntos cuánticos fabricada mejoró la interacción entre el dispositivo y una onda de terahercios.
El detector de matriz de microrradiación basado en puntos cuánticos fabricado se probó a frecuencias de comunicación entre 0,14 y 0,28 terahercios para la tecnología 6G, y los resultados mostraron sensibilidades actuales entre 3,12 y 4,67 amperios por vatio.
El detector basado en matriz de microrradiación de puntos cuánticos mostró una sensibilidad actual hasta nueve veces mayor que la película de puntos cuánticos en tecnología 6G. Los valores de potencia equivalente de ruido del detector para la banda de comunicación entre 0,14 y 0,28 terahercios en tecnología 6G fueron de 6,61 × 10–13 y 1.88×10–14 Vatios por raíz cuadrada Hertz. Los resultados generales demostraron el potencial del método actual para desarrollar un detector de THz de área grande y alto rendimiento basado en puntos cuánticos. Estos detectores sirvieron como equipos de comunicaciones 6G mejorados en tecnología 6G a temperatura ambiente.
Tecnología 6G y puntos cuánticos
La tecnología 6G tiene el potencial de satisfacer la demanda de cobertura global y puede extenderse desde redes de comunicación terrestres a redes no terrestres, logrando una red de comunicación integrada de espacio, aire, tierra y mar. Además, la tecnología 6G permite un nuevo conjunto de aplicaciones inteligentes aprovechando redes heterogéneas, gran cantidad de antenas, grandes anchos de banda y requisitos de servicio.
Aunque las tecnologías 6G utilizan frecuencias de comunicación de 0,12, 0,22, 0,28 y 0,42 THz, no se dispone de detectores potentes que funcionen en grandes áreas a temperatura ambiente. Los detectores de THz actuales para la tecnología 6G son generalmente detectores micro/nano/milimétricos.
Los detectores de tamaño micro/nano utilizados para la tecnología 6G son principalmente detectores de efecto Hall no lineal (NHE) basados en grafeno, detectores de pozo electromagnético (EIW) basados en seleniuro de bismuto y nitruro de galio y aluminio (AlGaN)/nitruro de galio (GaN). ). No obstante, los detectores de escala milimétrica utilizados en la tecnología 6G se basan en el calor, incluidos los bolómetros y las celdas Golay, con un rendimiento más bajo que los detectores de escala nano/micro en términos de rendimiento de ruido equivalente y sensibilidad a la luz a temperatura ambiente.
Los puntos cuánticos de semiconductores coloidales se utilizan en dispositivos optoelectrónicos debido a la capacidad de ajuste de banda prohibida en un amplio rango de energía, bajo costo y altos coeficientes de absorción de luz. Los puntos cuánticos de PbS tienen un fuerte confinamiento cuántico y pequeñas brechas de banda óptica y, por lo tanto, se utilizan como fotodetectores.
Además, los materiales basados en puntos cuánticos tienen propiedades únicas, como banda prohibida de absorción sintonizable, tamaño físico práctico, diafonía baja, corriente oscura baja y procesamiento basado en soluciones para facilitar la integración del dispositivo. Por lo tanto, la incorporación de materiales basados en puntos cuánticos en la investigación de chips de imágenes de THz conduce a detectores de bajo costo.
Tecnología 6G con puntos cuánticos
En el presente estudio, se utilizaron puntos cuánticos coloidales como capa activa para fabricar una matriz de microestructura 3D para introducir el efecto de polaritón de plasmón superficial (SPP) para mejorar el efecto de confinamiento del campo THz. Esta fabricación mejoró el rendimiento del detector de THz en tecnología 6G.
El diseño de estructura de onda cóncava cóncava de THz dio como resultado un bajo rendimiento de ruido equivalente y una alta respuesta del dispositivo construido.
La introducción de SPP a través de una matriz de microradar de puntos cuánticos 3D condujo a la recolección de energía cinética transportada por portadores localizados y transmitida por ondas THz debido a la resonancia. En comparación con el dispositivo sin una estructura de sublongitud de onda 3D, el dispositivo con esta estructura mejoró la concentración de portadores libres y redujo la transmisión de THz, provocando una profundidad de modulación de alrededor del 50 % por luz.
Las pruebas del detector basado en puntos cuánticos para tecnología 6G con frecuencias de comunicación entre 0,14 y 0,28 terahercios mostraron sensibilidades de corriente entre 3,12 y 4,67 amperios por vatio debido a la mejora del SPP. El detector basado en una matriz de microrradiación de puntos cuánticos mostró un mejor rendimiento equivalente de ruido (NEP) de 1,88 x 10-14 Watts por raíz cuadrada Hertz en comparación con otros detectores milimétricos utilizados en la tecnología 6G.
Conclusión
En resumen, se ha demostrado el rendimiento del detector de THz basado en la matriz de microrradiación de puntos cuánticos. La baja diafonía y la baja corriente oscura de los puntos cuánticos coloidales fueron beneficiosas para mejorar el rendimiento del detector de THz en la tecnología 6G y, por lo tanto, se usaron como una capa activa para construir una matriz de microestructura 3D.
La matriz de microestructura 3D introdujo el efecto SPP y mejoró el efecto de confinamiento del campo THz. La combinación del efecto de confinamiento mejorado del campo de THz y la estructura cóncava de la onda de THz convergente dio como resultado una potencia de ruido equivalente baja y una respuesta alta.
Relación
Song Q, Xu Y, Zhou Z, Liang H, Zhang M, Zhu G, Yang J et al. (2022). Detectores de terahercios para tecnología 6G con matrices de microrad 3D de puntos cuánticos con convergencia cóncava. Fotónica ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c00735
