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(noticias nanowerk) Las imágenes hiperespectrales utilizan todo el espectro de luz para obtener información detallada sobre la naturaleza y su comportamiento. Estos hallazgos abren espacio para diversas aplicaciones, incluida la conducción autónoma, la vigilancia medioambiental, la atención sanitaria, la exploración espacial o incluso la agricultura y el procesamiento de alimentos.
La obtención de imágenes desde el infrarrojo hasta los terahercios representa un desafío tecnológico, ya que requiere equipos que sean lo suficientemente eficientes y sensibles en todo el rango del espectro. Los únicos que hasta ahora han cumplido parcialmente las expectativas son las disposiciones de fotoconductores basadas en elementos de telururo de mercurio-cadmio. Aunque actualmente son la tecnología más adecuada, su eficiencia en el rendimiento en la detección de luz no es muy amplia, ya que tienden a ser absorbentes eficientes en ciertas longitudes de onda pero funcionan peor en otras y simplemente carecen de la capacidad de detectar las longitudes de onda de luz más largas que se pueden ver. en el régimen de terahercios, que es cada vez más relevante para la tecnología.
Frank Koppens, autor correspondiente del estudio, menciona: «La torsión de materiales bidimensionales como el grafeno ha revolucionado el campo de los materiales cuánticos, impulsado por el descubrimiento de la superconductividad no convencional». Pero recientemente también hemos visto cómo lo hace debido a su singular y altamente personalizable “Es una plataforma para una amplia gama de aplicaciones”.
Por lo tanto, en los últimos años, se ha demostrado que el grafeno bicapa (BLG) es un fotodetector impresionante cuando está polarizado con campos eléctricos externos, aunque la absorción de luz es bastante limitada debido a su naturaleza 2D. Curiosamente, BLG es compatible con la tecnología de silicio existente, un requisito previo para su lanzamiento al mercado. Sin embargo, la necesidad de aplicar un campo eléctrico presenta enormes dificultades para ampliar la fabricación en tres dimensiones, lo que sería necesario para superar el problema de baja absorción del BLG.
un nuevo dispositivo
Los dispositivos de grafeno bicapa «doble» retorcido (TDBG), por otro lado, se han convertido en un material único que puede eludir estas limitaciones. TDBG consta de dos pilas de grafeno de doble capa giradas o torcidas en un gran ángulo (15 grados), que recientemente se demostró que generan su propio campo eléctrico intrínseco sin la necesidad de electrodos adicionales que, en el caso de BLG, complican la fabricación. Esto ha abierto la posibilidad de detección de banda ancha en un sistema escalable, aunque las capacidades de detección de luz de TDBG aún no se han probado.
En un nuevo estudio publicado en Fotónica de la naturaleza (“Fotoconductividad de banda ultra ancha en heteroestructuras retorcidas de grafeno con gran capacidad de respuesta”), los investigadores del ICFO Hitesh Agarwal y Krystian Nowakowski, bajo el liderazgo del investigador postdoctoral Dr. Roshan Krishna Kumar y el Profesor ICREA en ICFO Frank Koppens, en colaboración con el Prof. ICREA. El grupo de Adrian Bachtold en ICFO, con el grupo del Prof. Giacomo Scalari de ETH Zurich e investigadores de la Universidad de Manchester, NIMS en Japón y CNRS en Francia informan sobre el desarrollo de un novedoso fotodetector de banda ultraancha TDBG que detecta la luz en uno Puede capturar el espectro abarcan de manera muy eficiente desde los terahercios lejanos (longitud de onda de 100 μm, equivalente a 3 THz) hasta el infrarrojo cercano (longitud de onda de 2 μm o 150 THz) y con una buena eficiencia continua en todo el rango, sin espacios. Se ha demostrado que el fotodetector de banda ultraancha tiene buena eficiencia cuántica interna, mejora de la fotoconductividad a través del blindaje entre capas y escalabilidad de TDBG porque no se requieren puertas para aplicar el campo eléctrico para obtener la banda prohibida electrónica.
En su experimento, los investigadores llevaron a cabo una investigación exhaustiva y comprensible de la fotorespuesta en TDBG. Construyeron varios dispositivos TDBG y examinaron su fotoconductividad, es decir, cómo cambia su resistencia eléctrica bajo la iluminación. Como comenta el primer coautor Krystian Nowakowski: “La idea de este experimento surgió después de leer un estudio en el que los investigadores habían encontrado una pequeña banda prohibida electrónica en grafeno bicapa doble retorcido sin la necesidad de aplicar un campo eléctrico externo, como suele ser el caso. Se requiere abrir «. una banda prohibida electrónica en la pila común de grafeno bicapa. La presencia de una banda prohibida hace que el grafeno bicapa sea un buen detector de luz, pero la necesidad de aplicar un campo eléctrico externo plantea una barrera para las aplicaciones, ya que la fabricación a escala para aplicaciones industriales es compleja». Después de revisar la literatura, descubrieron que nadie había Probé esto con BLG o TDBG “doble”.
Por lo tanto, el equipo hizo todo lo posible para preparar el experimento. Hitesh Agarwal, primer coautor, recuerda: “La preparación de muestras de TDBG no es una tarea trivial. Comenzamos quitando escamas de grafeno y continuamos este proceso hasta que encontramos una escama suficientemente grande de grafeno bicapa. Luego cortamos la hojuela por la mitad con un micromanipulador, tomamos una de las mitades, la giramos 15 grados y la apilamos sobre la otra para crear una pila TDBG». Luego, estos dispositivos se enfriaron a una temperatura de 4 Kelvin para realizar mediciones precisas. de resistencia eléctrica. Cuando se iluminaron con luz infrarroja media, descubrieron que la resistencia disminuía significativamente, abriendo la posibilidad de utilizar estos dispositivos como fotodetectores.
Creatividad en la investigación.
Después de trabajar intensamente en el experimento durante varios meses, el equipo tuvo que buscar alternativas logísticas y experimentales para superar las limitaciones impuestas por el cierre repentino de 2020 y continuar con el estudio. Esto incluyó el control remoto del equipo para continuar las mediciones durante las pandemias. Con un espíritu ingenioso e inventivo, el equipo trabajó durante horas para configurar el experimento, midiendo todo lo posible para poder recopilar y comprender el tipo de datos que estaban obteniendo y lo que realmente significaban. «Uno de los grandes desafíos que enfrentamos fue comprender los orígenes de la gran respuesta y compararla de manera confiable con tecnologías comerciales», recuerda Roshan Krishna Kumar, coautor principal del estudio.
Después de muchos meses de análisis de datos, determinando qué había que medir y por qué, aprendiendo a distinguir entre diferentes hipótesis y desarrollando nuevas ideas que podrían facilitar la obtención de resultados, finalmente pudieron cuantificar el indicador interno de eficiencia cuántica, la fracción de fotones. absorbido en el cambio medido en la corriente eléctrica, y descubrió que la eficiencia de la mayor parte del rango espectral era igual o superior al 40%, lo cual es un buen valor y muy prometedor cuando se combina con el rango espectral ultra amplio y la escalabilidad de TDBG. .
Después de las mediciones iniciales, los investigadores se dieron cuenta de que el fotodetector podría tener capacidades de onda larga de hasta 2 THz después de caracterizar la banda prohibida intrínseca de TDBG, que establece la frecuencia de corte de sus detectores. Motivado por esta tentadora perspectiva, Hitesh Agarwal voló a Suiza para realizar mediciones en el laboratorio de Giacomo Scalari, experto en tecnologías de terahercios y que colabora estrechamente con el ICFO en el proyecto PhotoTBG. Utilizando sus configuraciones de medición de banda ancha personalizadas, demostraron el rango de longitud de onda ultra amplio descrito en el estudio.
Luego, los investigadores «se centraron en comprender el mecanismo físico detrás de la señal medida». Después de mucha lluvia de ideas con el Prof. Frank Koppens, descubrimos que la respuesta se debe principalmente al efecto fotoconductor, donde los fotones influyen en la resistencia al «Producir directamente más electrones». pares de huecos, y no en el efecto bolométrico, donde los fotones calientan la muestra y que indirectamente afecta la resistencia a través del cambio de temperatura».
Los resultados de este estudio muestran que los métodos y resultados descritos pueden servir como guía y punto de referencia para otros científicos que utilizan la luz para estudiar estos interesantes materiales retorcidos. La explicación de la mejora de la conductividad mediante el cribado entre capas, el método para distinguir entre reacciones bolométricas y fotoconductoras y la idea propuesta de apilamiento tridimensional ciertamente pueden usarse como base para futuras investigaciones sobre otros materiales bidimensionales.
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