Os pesquisadores resolveram um problema que impede o desenvolvimento de dispositivos ópticos altamente sensíveis feitos de um material chamado grafeno, um avanço que poderia trazer aplicações de imagens e monitores a sensores e comunicações de alta velocidade.

O grafeno é uma camada extremamente fina de carbono que é promissora para a optoeletrônica, e os pesquisadores estão tentando desenvolver fotodetectores baseados em grafeno, dispositivos essenciais para muitas tecnologias. Contudo, fotodetectores típicos feitos de grafeno têm apenas uma pequena área que é sensível à luz, limitando seu desempenho.

Agora, pesquisadores resolveram o problema combinando grafeno com um substrato de carboneto de silício comparativamente muito maior, criando transistores de efeito de campo de grafeno, ou GFETs, que pode ser ativado pela luz, disse Yong Chen, um professor de física e astronomia da Universidade Purdue e engenharia elétrica e da computação, e diretor do Purdue Quantum Center.

Fotodetectores de alto desempenho podem ser úteis para aplicações, incluindo comunicações de alta velocidade e câmeras ultra-sensíveis para astrofísica, bem como aplicações de detecção e eletrônicos vestíveis. Matrizes de transistores baseados em grafeno podem trazer imagens e monitores de alta resolução.

"Na maioria das câmeras, você precisa de muitos pixels, "disse Igor Jovanovic, professor de engenharia nuclear e ciências radiológicas na Universidade de Michigan. "Contudo, nossa abordagem poderia tornar possível uma câmera muito sensível, onde você tem relativamente poucos pixels, mas ainda tem alta resolução. "

As novas descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado esta semana no jornal Nature Nanotechnology . O trabalho foi realizado por pesquisadores da Purdue, a Universidade de Michigan e a Universidade Estadual da Pensilvânia.

"Em fotodetectores típicos à base de grafeno demonstrados até agora, a fotorresposta vem apenas de locais específicos próximos ao grafeno sobre uma área muito menor do que o tamanho do dispositivo, "Jovanovic disse." No entanto, para muitas aplicações de dispositivos optoeletrônicos, é desejável obter fotorresposta e sensibilidade posicional em uma área muito maior. "

Novas descobertas mostram que o dispositivo responde à luz, mesmo quando o carboneto de silício é iluminado a distâncias distantes do grafeno. O desempenho pode ser aumentado em até 10 vezes, dependendo de qual parte do material é iluminada. O novo fototransistor também é "sensível à posição, "o que significa que pode determinar o local de onde a luz está vindo, o que é importante para aplicativos de imagem e para detectores.

"Esta é a primeira vez que alguém demonstra o uso de um pequeno pedaço de grafeno em um grande wafer de carboneto de silício para obter fotodetecção não local, então a luz não precisa atingir o grafeno em si, "Disse Chen." Aqui, a luz pode incidir em uma área muito maior, quase um milímetro, o que não foi feito antes. "

Uma voltagem é aplicada entre a parte de trás do carboneto de silício e o grafeno, criação de um campo elétrico no carboneto de silício. A luz que chega gera "portadores de foto" no carboneto de silício.

"O semicondutor fornece a mídia que interage com a luz, "Jovanovic disse." Quando a luz entra, parte do dispositivo torna-se condutora e isso altera o campo elétrico que atua sobre o grafeno. "

Esta mudança no campo elétrico também altera a condutividade do próprio grafeno, que é detectado. A abordagem é chamada de detecção de foto com efeito de campo.

O carboneto de silício é "não dopado, "ao contrário dos semicondutores convencionais em transistores à base de silício. O fato de não ser dopado torna o material um isolante, a menos que seja exposto à luz, que temporariamente faz com que ele se torne parcialmente condutivo, mudando o campo elétrico no grafeno.

“Essa é uma novidade desse trabalho, "Chen disse.

A pesquisa está relacionada ao trabalho para desenvolver novos sensores baseados em grafeno projetados para detectar radiação e foi financiada com uma doação conjunta da National Science Foundation e do Departamento de Segurança Interna dos EUA e outra doação da Defense Threat Reduction Agency.

"Este artigo em particular é sobre um sensor para detectar fótons, mas os princípios são os mesmos para outros tipos de radiação, "Chen disse." Estamos usando o transistor de grafeno sensível para detectar o campo elétrico alterado causado pelos fótons, luz neste caso, interagindo com um substrato de carboneto de silício. "

Os detectores de luz podem ser usados ​​em dispositivos chamados cintiladores, que são usados ​​para detectar radiação. A radiação ionizante cria breves flashes de luz, que em cintiladores são detectados por dispositivos chamados tubos fotomultiplicadores, uma tecnologia quase centenária.

"Portanto, há muito interesse no desenvolvimento de dispositivos avançados baseados em semicondutores que podem alcançar a mesma função, "Disse Jovanovic.

O artigo foi escrito pelo ex-associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue, Biddut K. Sarker; o ex-aluno de pós-graduação da Penn State Edward Cazalas; Ting-Fung Chung, estudante de graduação de Purdue; o ex-aluno de graduação da Purdue, Isaac Childres; Jovanovic; e Chen.

Os pesquisadores também explicaram suas descobertas com um modelo computacional. Os transistores foram fabricados no Birck Nanotechnology Center no Purdue's Discovery Park.

Pesquisas futuras incluirão trabalhos para explorar aplicações como cintiladores, tecnologias de imagem para astrofísica e sensores para radiação de alta energia.