p (Phys.org) —Os pesquisadores descobriram que um desenho fractal semelhante a um floco de neve, em que o mesmo padrão se repete em escalas cada vez menores, pode aumentar a absorção ótica inerentemente baixa do grafeno. Os resultados levam a fotodetectores de grafeno com um aumento de ordem de magnitude na fotovoltagem, junto com detecção de luz ultrarrápida e outras vantagens. p Os pesquisadores, da Purdue University em Indiana, incluem os alunos de pós-graduação Jieran Fang e Di Wang, que foram orientados pelos professores Alex Kildishev, Alexandra Boltasseva, e Vlad Shalaev, junto com seus colaboradores do grupo do Professor Yong P. Chen. A equipe publicou um artigo sobre o novo projeto fractal fotodetector de grafeno em uma edição recente da Nano Letras .

p Fotodetectores são dispositivos que detectam luz convertendo fótons em corrente elétrica. Eles têm uma grande variedade de aplicações, inclusive em telescópios de raios-X, ratos sem fio, Controles remotos de TV, sensores robóticos, e câmeras de vídeo. Os fotodetectores atuais são geralmente feitos de silício, germânio, ou outros semicondutores comuns, mas recentemente pesquisadores têm investigado a possibilidade de fazer fotodetectores de grafeno.

p Embora o grafeno tenha muitas propriedades ópticas e elétricas promissoras, como uniforme, absorção óptica de banda ultra larga, junto com a velocidade ultrarrápida do elétron, o fato de ter apenas um único átomo de espessura confere-lhe uma absorção óptica intrinsecamente baixa, que é a sua principal desvantagem para uso em fotodetectores.

p Para lidar com a baixa absorção óptica do grafeno, os pesquisadores de Purdue projetaram um fotodetector de grafeno com contatos de ouro na forma de uma metassuperfície fractal semelhante a um floco de neve. Eles demonstraram que o padrão fractal faz um trabalho melhor ao coletar fótons em uma ampla gama de frequências em comparação com uma borda de ouro-grafeno simples, permitindo que o novo design gere 10 vezes mais fotovoltagem.

p O novo fotodetector de grafeno tem várias outras vantagens, como que é sensível à luz de qualquer ângulo de polarização, o que está em contraste com quase todos os outros fotodetectores de grafeno realçados por plasmônicos nos quais a sensibilidade é dependente da polarização. O novo fotodetector de grafeno também é de banda larga, melhorando a detecção de luz em todo o espectro visível. Além disso, devido à velocidade inerentemente rápida do elétron do grafeno, o novo fotodetector pode detectar a luz muito rapidamente.

p "Nesse trabalho, resolvemos um problema vital de aumentar a sensibilidade intrinsecamente baixa em fotodetectores de grafeno em uma ampla faixa espectral e de maneira insensível à polarização, usando um design auto-similar inteligente de uma metassuperfície de fractal plasmônico, "Wang disse Phys.org . "Para nosso conhecimento, estes dois atributos não foram alcançados em fotodetectores de grafeno realçados com plasmonic anteriormente relatados. "

p Os pesquisadores explicaram que essas características podem ser atribuídas diretamente ao padrão fractal.

p "Nossa meta-superfície fractal proposta tem a capacidade única de suportar ressonâncias plasmônicas (oscilações de elétrons livres) em uma ampla faixa espectral de uma forma insensível à polarização devido à sua geometria complexa e altamente hexagonalmente simétrica, "Kildishev disse." Anteriormente relatados fotodetectores de grafeno aprimorados com plasmonic usam bandas estreitas mais simples e estruturas sensíveis à polarização, e, portanto, o aprimoramento também é de banda estreita e sensível à polarização. "

p Como a pesquisa anterior mostrou, a razão pela qual um padrão fractal pode melhorar a absorção óptica é que a metassuperfície fractal cria ressonâncias adicionais, com a quantidade de ressonância aumentando conforme o número de níveis de fractal aumenta. Além disso, os pesquisadores descobriram que a metassuperfície fractal confina e intensifica o campo elétrico da luz que atinge a superfície. Em última análise, isso leva a uma fotovoltagem mais alta gerada no fotodetector de grafeno.

p Como Kildishev explicou em mais detalhes, Existem dois mecanismos principais de indução de fotovoltagem em um fotodetector à base de grafeno:o efeito fotovoltaico e o efeito fototermoelétrico. O efeito fotovoltaico usa o campo elétrico embutido induzido por regiões dopadas de forma diferente no grafeno para separar os pares de buracos de elétrons opticamente excitados no grafeno. O efeito fototermoelétrico impulsiona os elétrons livres no grafeno em regiões com diferentes potências termoelétricas (coeficientes de Seebeck), dado um gradiente de temperatura entre as duas regiões.

p A metassuperfície fractal aumenta os efeitos em fotodetectores de grafeno, aumentando a intensidade do campo elétrico e pelo aquecimento por meio de luz incidente em espaços altamente confinados.

p "A metassuperfície fractal aumenta a fotovoltagem, fazendo uso da ressonância plasmônica - oscilações de elétrons livres em ouro sob a excitação da luz, "Kildishev disse." Isso, então, confina a energia eletromagnética a volumes ultrapequenos, gerando pares de elétron-buraco excessivos no grafeno que são então separados pelo efeito fotovoltaico. A luz incidente também aquece a estrutura plasmônica para criar um grande gradiente de temperatura através da interface metal / grafeno, dando origem a uma resposta fototermoelétrica mais forte. "

p No futuro, os pesquisadores planejam explorar as aplicações potenciais de fotodetectores de grafeno, que pode se estender além da fotodetecção para a colheita de fotos, com aplicações como células solares e aquecimento óptico. As tecnologias que requerem uma resposta rápida também podem experimentar melhorias significativas devido à alta velocidade de operação do fotodetector de grafeno.

p "Um grande atributo do detector fotovoltaico / fototermoelétrico de grafeno é que ele reage à luz a uma taxa extremamente rápida, graças à velocidade ultrarrápida de movimento do elétron (efeito fotovoltaico) e ao tempo ultracurto que os elétrons precisam para liberar calor (efeito fototermoelétrico) no grafeno, "Disse Wang." Essa velocidade de resposta não tem paralelo com outros materiais de fotodetecção.

p "O realce plasmônico é conhecido por sacrificar a velocidade de resposta ultrarrápida em uma extensão menor. Portanto, Os fotodetectores de grafeno aprimorados com plasmonic são promissores para a leitura do modulador totalmente óptico e outras aplicações onde a velocidade de resposta é fundamental. Além disso, o grafeno tem bandgap zero (ou sintonizável) e absorção óptica uniforme em todo o espectro eletromagnético. Portanto, Os fotodetectores de grafeno podem, em princípio, ser usados ​​para detectar luz de qualquer frequência com sensibilidade idêntica, que mais uma vez não tem paralelo com outros detectores feitos de outros materiais de fotodetecção. " p © 2017 Phys.org