התעלמות משימוש ב Photodetecators מבוסס Graphene בעתיד
האבולוציה של מקבלי אופטי: Graphene Photodetectors כטכנולוגיה משבשת
הביקוש הבלתי נלאה למהירויות שידור נתונים גבוהות יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר במערכות תקשורת אופטית הובילה למחקרים חדשים עבור photodetectors. photodetectors Conventional photodetectors בהתבסס על 3-V Semiconductors או Germanium הגיעו לרמה של ביצועים, במיוחד מבחינת רוחב פס, טווח ספקטרלי וגמישות אינטגרציה. Graphene, חומר דו-ממדי המורכב משכבה אטומית אחת של פחמן, התפתח כפלטפורמת הפעלה אופטית עבור תהליכי ספיגה אופטיים מתקדמים, עם יכולת גבוהה.
הבנת הנכסים האופטו-אלקטרוניים הייחודיים של Graphene
מבנה הלהקה של Graphene כולל אפס Bandgap בנקודה Dirac, המאפשר ספיגה של photons מ UV ל terahertz תדרים. קליטת ה- 0.3% לכל שכבה עבור אור גלוי, צנוע בהשוואה למוליכים למחצה מסורתיים, אבל היכולת לערעור שכבות או לשלב עם plasmonic ו-Gueueator יכול לפצות.
מפתח ביצועים: אחריות, בנדווידט, ו Noise
עבור כל photodetector המשמש מקלט אופטי, שלושה מדדים שולטים עיצוב מערכת: responsivity (A / W), רוחב פס (Hz), ורעש שווה ערך כוח (NEP) photodetecators מבוסס Graphene ( 259Ds) הוכיחו רוחב פס פנימי מעל 100 GHz, עולה על גלאי קונבנציונאלי רבים.
| Parameter | Typical Graphene Detector | Conventional (InGaAs/Ge) |
|---|---|---|
| Responsivity (A/W) | 0.001 – 1 (without gain) | 0.5 – 1.0 |
| Bandwidth (3dB) | 50 – 200 GHz | 10 – 60 GHz |
| Dark Current | Low (μA scale) | Low to moderate |
| Spectral Range | UV to THz | Typically 900-1700 nm |
| Temperature Range | Broad (cryogenic to 400K) | Limited by material |
אדריכלות של גרפיפן מבוסס Photodetecators אופטי
כמה ארכיטקטורות מכשירים הוכחו, כל אחד עם התאמות ספציפיות של עסקאות מתאים יישומים שונים מקלט.העיצובים הנפוצים ביותר כוללים גלאי צילום מוליכים, photodiodes עם שדות בנוי (למשל, מתכת-graphene-metal, גרפן- p-n צומת), ו phototransistors. תצורה מתקדמת יותר משלבת גרפן עם אנטנות pmonics, חומרים, או מיקרו-קטיביות כדי לשפר את הראייה האור.
Metal-Graphene-Metal (MGM) Photodetectors
ב- MGM photodetectors, ערוץ גרפן מחבר שני אנשי קשר מתכתיים.המחסום שאטקי בממשק מתכת-גרף יוצר שדה חשמלי בנוי-in-in, המפריד בין זוגות של אלקטרון-חורת מחוספסים.גבהים המחסום הסימטרי מייצרים תמונה במקביל ל- Zero-Fittic, ומספק גמישות כהה וגבוהה בהטיה נמוכה.
Graphene-Silicon Hybrid Photodetectors
שילוב גרפן עם תמונה רגילה סיליקון מקטין את המערכת האקולוגית photonics סיליקון סיליקון תוך הוספת היתרונות של נושאת המהיר של גרפן. ב גרפן-silicon Schtky photodiode, גרפן פועל הן כמו מנצח שקוף ושכבה פוטואקטיבית.הפוטנציאל בנוי בממשק גרף-Si מפריד ביעילות, השגת יעילות פנימית קוונטית ו טמפרטורות גבוהות יותר של 20 ממולקולות אופטיות לממשקים אופטיים אלה הן על פני רמה אופטית של אינטגרציה אופטית של אינטגרציה אופטית גבוהה יותר.
גרף: Graphene Detectors
כדי לטפל בקליטה הנמוכה, החוקרים עיצבו nanostructures מתכתיים (למשל, nanoantennas, gratings) על גרפן כדי לרכז אור אירוע לתוך כרכים באורך גלימה, להגדיל באופן דרמטי את השדה המקומי ובכך יעילות ספיגת. שיפור פלאסמוני יכול להגביר את התגובה היעילה על ידי 10-100 × קנה מידה גבוה, כי השיפור הוא בעיקר בקליטת אופטי, לא את המוביל, לדוגמה, עבור גרפים מרובים של נפח זהה (D) הוא בעיקר כדי לספוג כמות קריטית של נפח זהה של נפח זהב).
ביצועי בקבוקי בקבוק וכיוונים מחקר נוכחיים
למרות התקדמות מהירה במעבדה, יש לטפל כמה אתגרים לפני GBPDs יכול להחליף טכנולוגיות קיימות במקלטים אופטיים מסחריים.הנושא העיקרי נשאר הקופה בין ספיגה ופס רוחב פס: כדי להגדיל את ספיגה, בדרך כלל צריך להגדיל את אזור המכשיר או להשתמש בשכבות מרובות, אשר מגביר את קיבולת ולהפחית רוחב פס היברידית.
- (FLT:0)Low Lightקליטת אור תפוצה:1 ( ⁇ 2.3% למונוסטר) נשאר הגבול היסודי; ריבוי גרפן מקבל ספיגה, אך מציג פיזור בין-שכבות המפחיתות את הניידות של החברה.
- (FLT:0) synthesisthsisph:1 ; גרף אחיד גרף באמצעות פיזור כימי (CVD) עדיין עומד בפני נושאים כמו גבולות דגנים, קמטים, וזיהום, אשר degrade ביצועים של המכשיר.
- (FLT:0) אינטגרציה עם פלטפורמות דיאלקטריות FIRLT:1 (למשל, סיליקון nitride, סיליקון-on-inulator) דורש שיטות העברה אופטימיזציה ו-capsulation כדי לשמר את התכונות הפנימיות של גרפן.
- (FLT:0) ניהול קדמון 1 הופך קריטי במקלטים אופטיים בעוצמה גבוהה מאז מוליכות תרמית של גרפן גבוהה, אך יכולת החום הקטנה שלה אטום עלולה לגרום להתחממות מקומית מהירה תחת תאורה מתמדת אינטנסיבית של גל.
מחקרים אחרונים הראו פתרונות מבטיחים.לדוגמה, מסמך קונסול:02018 ב-FLT:1 Nature PhotonicsFLT:203FLT 3: 3 דיווח על גרף פוטודקטור משולב עם גל סיליקון ניטריד להשגת 0.5 A / W responsivity ו 50 GHz רוחב פס.
תחזית לעתיד עבור Graphene Photodetectors in Optical Acceptrs
במבט קדימה, התפקיד של GBPDs בעתיד מקלט אופטי נראה בטוח, אבל הדרך לשיווק דורש פתרון האתגרים ייצור ומערכת ברמת האינטגרציה.הפריסה הראשונית הסבירה ביותר תהיה בעסקאות קצרות במהירות גבוהה (<1 ק"מ) כגון אלה המשמשים במרכזי נתונים, שבו רוחב פס ואנרגיה מעט הם ראשוניים כאן, פוטנציאל של גרפן עבור אפס-מדבקות (מספקים) וספקי תצורה מיידית, שבו ניתן לרקמות מגע מיידיות.
מעבר לתקשורת סיבים אופטית מסורתית, photodetectors גרפן פותח דלתות ליישומים חדשים: מעגלים פוטוניים משולבים על תת-שכבות גמישות, צגים בריאותיים ללבוש באמצעות חיישנים אופטיים לב, ואפילו מערכות הדמיה טרחרץ לאבטחה ובדיקה לא הרסנית.שילוב של גמישות מכנית של גרפן וביצועים מהירים מאפשר מקלט אופטיים אופטיים מתקדמים שניתן לחבר אותם כדי לערוג משטחים או מוטבעים בטקסטיל.
מפת דרכים ממעבדה לפאב
כמה חברות ותומכים מחקר עובדים באופן פעיל על ייצור גרפין אינטגרציה מכשירים.תוכנית Graphene Flagship של האיחוד האירופי יש שותפויות תעשייתיות מואצות, והפגנות האחרונות של גרפן בגודל בינוני של גרף CVD עם איכות אלקטרונית דומה לדגימות exfoliated מציע כי ייצור של משחתות ניתן להתגבר.לאחר העברה אמינה ושליטה הם השיגו, photoenedetec יכול להיכנס לתוך טייס בתוך חמש שנים הבאות.
(בסקירה מקיפה של מצב האמנות, ה-FLT:02021 סקירה ב-FLT:1 Nature CommunicationsFLT:203FLT 3: 3) מספקת סקירה מצוינת של photonics גרפין ואת סיכוייו.בנוסף, FLT:4Journal of Materials CFLT:5 פרסם מספר עבודות במיוחד על אינטגרציה פוטוטקטור עם CM-end-Resof-end.
מסקנה
photodetectors מבוסס Graphene מייצגים שינוי פרדיגמטי עבור עיצוב מקלט אופטי, מעבר למגבלות החומריות של מוליכים למחצה קונבנציונליים.עם יתרונות פנימיים במהירות, טווח ספקטרלי, גמישות אינטגרציה, הם מוכנים לאפשר מערכות תקשורת הדור הבא שקוף כי הם מהירים יותר, יעיל יותר אנרגיה, והתאמה יותר. בעוד אתגרים הנדסיים משמעותיים להישאר, במיוחד סביב יעילות ספיגה ויכולת הייצור, קצב ההתקדמות של מדע מהיר ואפקטים הרגישו גם בתחום הגרפיקה גבוהה, אך לא יהיה רק עבור מרכזי תמונה גבוהה.