Moduladores terahertz de alto desempenho induzidos por campo de substrato em heterojunções totalmente 2D baseadas em Te
a, Ilustração esquemática do esquema de medição de THz. b, Dinâmica transitória de THz de Te sob diferentes fluências de bomba com comprimento de onda de excitação de 800 nm. As linhas sólidas pretas representam as curvas de ajuste biexponencial. Crédito:Adaptado de Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01393-6 Moduladores ativos de terahertz (THz) de alto desempenho são de grande importância para a tecnologia de comunicação da próxima geração. No entanto, eles atualmente sofrem com a compensação entre profundidade e velocidade de modulação.
Materiais bidimensionais (2D) com propriedades físicas únicas, como fortes interações luz-matéria, perfil atomicamente fino e rápida recombinação de portadores, poderiam oferecer uma plataforma intrigante para a investigação de dispositivos optoeletrônicos em física fundamental. Portanto, é urgente encontrar materiais 2D favoráveis que aumentem o desempenho do dispositivo.
O emergente telúrio 2D monoelementar (Te) é uma nova opção intrigante. Este material, com uma estrutura de cadeia helicoidal única, possui características promissoras, como bandgap dependente de camada, mobilidade de portadora extraordinariamente alta, forte resposta óptica e boa estabilidade ao ar.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Application , uma equipe de cientistas, liderada pelo Professor Qingli Zhou do Laboratório Principal de Optoeletrônica Terahertz, Ministério da Educação, e Centro de Inovação Avançada de Pequim para Teoria e Tecnologia de Imagens, Departamento de Física, Universidade Normal Capital, Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim, Instituto da Física, da Academia Chinesa de Ciências, da China e colegas de trabalho desenvolveram moduladores THz baseados em Te para promover com sucesso o desempenho do dispositivo para os níveis ideais e aplicáveis entre os moduladores de banda larga totalmente 2D existentes.
Os pesquisadores descobriram que os nanofilmes de Te podem atingir alta profundidade de modulação em uma escala de tempo de picossegundos e mostrar uma resposta ultrassensível sob baixa excitação da bomba. Combinado com o projeto de heteroestrutura totalmente 2D e engenharia de substrato, a otimização dos parâmetros do dispositivo pode ser realizada. Portanto, sua heterojunção fabricada com a ordem de empilhamento de Ge / Te exibe profundidade de modulação ultra-alta e vida útil curta da portadora, acompanhada de propriedades de baixa perda e ampla largura de banda.
Outros experimentos de fotoresposta exibem o óbvio efeito de retificação em Ge/Te devido à barreira de interface. Para explorar o impacto significativo observado da ordem de empilhamento, a equipe calculou a direção do campo elétrico induzido pelo substrato e descobriu seu mecanismo de interação incomum na dinâmica do portador fotoexcitado associada à transferência de carga e à recombinação de excitons intercamadas.
Seus resultados poderiam fornecer uma compreensão mais abrangente sobre o mecanismo interno de transferência de carga ultrarrápida e dinâmica de excitons em heteroestruturas totalmente 2D, orientar o projeto de heterointerfaces e prever uma nova classe de eficiência energética, alta velocidade e baixa perda de inserção, e dispositivos fotônicos THz sintonizáveis em banda larga.
Os moduladores THz de alto desempenho estão centrados em torno do nanofilme Te e suas heterojunções para resolver o problema da compensação entre profundidade e velocidade de modulação. Além disso, descobriram que a ordem de empilhamento dos materiais tem uma influência óbvia na propriedade de modulação. O cálculo e a análise esclarecem que o campo efetivo do substrato projeta a estrutura de banda da interface heterogênea através da ordem de empilhamento e, assim, os comportamentos transientes ópticos podem ser regulados.
a, Dinâmica transitória de THz de heterojunções Te/Ge e Ge/Te com comprimento de onda de excitação de 800 nm. b, Esquerda:Distribuição espacial calculada da densidade diferencial de carga para diferentes materiais no substrato. A cor azul (amarelo) denota esgotamento de elétrons (acumulação). À direita:Campos elétricos induzidos por substrato esquemático e transferência de carga em heterojunções de Te/Ge (superior) e Ge/Te (inferior), respectivamente. Crédito:Adaptado de Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01393-6
"Apresentamos nanofilmes 2D Te com estrutura única como uma nova classe de moduladores THz controlados opticamente e demonstramos que suas heterojunções integradas podem melhorar com sucesso o desempenho do dispositivo para os níveis ideais e aplicáveis entre os moduladores de banda larga totalmente 2D existentes.
"Outras medições de resposta fotográfica confirmam o impacto significativo da ordem de empilhamento. Primeiro esclarecemos a direção do campo elétrico induzido pelo substrato por meio de cálculos de primeiros princípios e descobrimos o mecanismo de interação incomum na dinâmica do portador fotoexcitado associado à transferência de carga e à recombinação de excitons intercamadas .
"Nossos resultados obtidos mostram que as heterojunções vdW totalmente 2D baseadas em Te com a engenharia de substrato podem melhorar notavelmente o desempenho do dispositivo e abrir uma nova idéia para o projeto, otimização e aplicação dos moduladores THz altamente eficientes controlados opticamente", afirma Os pesquisadores.
“Acreditamos que os resultados deste trabalho não são apenas de grande interesse a um nível fundamental, mas também oferecem orientação para o futuro projeto e desenvolvimento de moduladores THz de alto desempenho baseados em nanomateriais funcionais”, disseram os cientistas.
