A imagem hiperespectral utiliza todo o espectro de luz para fornecer informações detalhadas sobre a natureza e seu comportamento. Estas informações abrem um campo para múltiplas aplicações, incluindo condução autónoma, monitorização ambiental, cuidados de saúde, exploração espacial ou mesmo agricultura e processamento de alimentos.



A geração de imagens do infravermelho ao regime terahertz representa um desafio tecnológico porque requer dispositivos que sejam eficientes e sensíveis o suficiente em toda a faixa do espectro.

Até agora, os únicos que atendem parcialmente às expectativas são os conjuntos fotocondutores baseados em elementos de telureto de mercúrio e cádmio. Embora esta seja a tecnologia mais adequada disponível atualmente, a sua eficiência de desempenho na detecção de luz não é muito de banda larga porque tendem a ser absorvedores eficientes para certos comprimentos de onda, mas têm um desempenho pior para outros e simplesmente não têm capacidade para detectar os comprimentos de onda de luz mais longos. no regime terahertz, que se torna cada vez mais relevante para a tecnologia.

Como menciona Frank Koppens, autor correspondente do estudo:"A torção de materiais bidimensionais como o grafeno revolucionou o campo dos materiais quânticos, impulsionado pela descoberta da supercondutividade não convencional. Mas recentemente, também pudemos ver que é um plataforma para uma ampla gama de aplicações, devido às suas propriedades únicas e altamente ajustáveis."

Portanto, nos últimos anos, o grafeno bicamada (BLG) tem demonstrado ser um fotodetector impressionante quando polarizado com campos elétricos externos, embora, devido à sua natureza 2D, a absorção de luz seja bastante limitada. Curiosamente, o BLG é compatível com a tecnologia de silício existente, obrigatória para ser introduzida no mercado.

Porém, a necessidade de aplicação de campo elétrico apresenta enormes dificuldades na ampliação da fabricação em três dimensões, o que seria necessário para superar o problema da baixa absorção do BLG.

Um novo dispositivo

Dispositivos de grafeno de dupla camada "dupla" torcidos (TDBG), por outro lado, surgiram como um material único que pode evitar essas restrições. O TDBG é feito de duas pilhas de grafeno bicamadas giradas ou torcidas em um grande ângulo (15 graus) que recentemente demonstraram criar seu próprio campo elétrico intrínseco sem a necessidade de eletrodos extras que complicam a fabricação no caso do BLG.

Isto abriu perspectivas de detecção de banda larga num sistema escalável, no entanto, até agora, as capacidades de detecção de luz do TDBG não foram testadas.

Em um estudo publicado na Nature Photonics , os pesquisadores relatam o desenvolvimento de um novo fotodetector de banda ultralarga TDBG capaz de detectar luz de forma muito eficiente em uma faixa espectral que vai desde o terahertz distante (comprimento de onda de 100 μm, equivalente a 3 THz) até o infravermelho próximo (2 comprimento de onda μm ou 150 THz) e com boa eficiência contínua em toda a faixa, sem lacunas.

Os pesquisadores do ICFO Hitesh Agarwal e Krystian Nowakowski foram liderados pelo pesquisador de pós-doutorado Dr. Roshan Krishna Kumar e pelo Prof. ICREA do ICFO Frank Koppens. Eles trabalharam em colaboração com o grupo do Prof. Adrian Bachtold do ICREA no ICFO, o grupo do prof. Giacomo Scalari, da ETH Zurique, e pesquisadores da Universidade de Manchester, NIMS no Japão e CNRS na França.

O fotodetector de banda ultralarga demonstrou ter uma boa eficiência quântica interna, um aprimoramento da fotocondutividade pela triagem intercamadas e escalabilidade do TDBG porque não são necessárias portas para aplicar o campo elétrico a fim de obter o bandgap eletrônico.

Em seu experimento, os pesquisadores realizaram um estudo completo e compreensível da fotorresposta no TDBG. Eles fabricaram vários dispositivos de TDBG e estudaram sua fotocondutividade, ou seja, como sua resistência elétrica muda sob iluminação.

Como comenta o primeiro coautor Krystian Nowakowski, "a ideia deste experimento surgiu após a leitura de um estudo no qual os pesquisadores encontraram um pequeno bandgap eletrônico no grafeno de dupla camada torcida (TDBG) sem a necessidade de aplicar um campo elétrico externo, que geralmente é necessário abrir um bandgap eletrônico na pilha comum de grafeno de bicamada (BLG)."

"A presença de um bandgap torna o grafeno bicamada um bom detector de luz, mas a necessidade de aplicar um campo elétrico externo é uma barreira para as aplicações devido à complexidade de aumentar a fabricação para aplicações industriais." Depois de examinar a literatura, eles perceberam que ninguém jamais havia testado isso com BLG “duplo”, ou TDBG.

Assim, a equipe colocou todos os seus esforços em ação para preparar o experimento. Como lembra Hitesh Agarwal, primeiro coautor, "fazer amostras de TDBG não é uma tarefa trivial. Começamos esfoliando flocos de grafeno, continuando esse processo até encontrarmos um floco grande o suficiente de grafeno bicamada. Depois cortamos o floco ao meio com um micromanipulador, pegue uma das metades, gire-a 15 graus e empilhe a outra para criar uma pilha TDBG."

Esses dispositivos foram então resfriados a uma temperatura de 4 Kelvin, para realizar medições precisas de resistência elétrica. Sob iluminação por luz infravermelha média, eles observaram que a resistência caiu significativamente, o que levou à possibilidade de utilização desses dispositivos como fotodetectores.

Criatividade na pesquisa

Após vários meses de trabalho intenso no experimento, a equipe foi obrigada a buscar alternativas logísticas e experimentais para superar as restrições impostas pela paralisação repentina em 2020 para continuar o estudo, que incluiu o controle remoto dos equipamentos para continuar as medições durante pandemias.

A equipe trabalhou horas árduas para configurar o experimento, medir o máximo possível para permitir que coletassem e entendessem o tipo de dados que estavam obtendo e o que isso realmente significava. “Um dos grandes desafios que enfrentámos foi compreender realmente a origem da grande resposta e compará-la de forma fiável com tecnologias comerciais”, recorda Roshan Krishna Kumar.

Depois de muitos meses analisando dados, determinando o que deveria ser medido e por quê, aprendendo a distinguir entre várias hipóteses e surgindo com novas ideias que poderiam facilitar a obtenção de resultados, eles conseguiram finalmente quantificar a Eficiência Quântica Interna – indicador do fração dos fótons absorvidos que são convertidos na mudança medida na corrente elétrica - e descobriu que a eficiência da maior parte da faixa do espectro era igual ou superior a 40%, o que é um bom valor e muito promissor quando combinado com o espectro espectral ultra-amplo alcance e escalabilidade do TDBG.

Após as medições iniciais, os pesquisadores perceberam que o fotodetector poderia ter capacidades de comprimento de onda longo estendendo-se até 2 THz depois de caracterizarem o gap intrínseco do TDBG, que define a frequência de corte de seus detectores.

Motivado por esta perspectiva tentadora, Hitesh Agarwal voou para a Suíça para realizar medições no laboratório de Giacomo Scalari, que é especialista em tecnologias terahertz e forte colaborador do ICFO no projeto PhotoTBG. Usando suas configurações personalizadas de medição de banda larga, eles demonstraram a faixa de comprimento de onda ultralarga relatada no estudo.

Os pesquisadores então "se concentraram em compreender o mecanismo físico por trás do sinal medido. Após um longo brainstorming com o professor Frank Koppens, descobrimos que a resposta se deve principalmente ao efeito fotocondutor, onde os fótons influenciam a resistência criando mais pares elétron-buraco diretamente em vez do efeito bolométrico, onde os fótons aquecem a amostra e isso influencia indiretamente a resistência pela mudança de temperatura."

Os resultados deste estudo mostram que os métodos e resultados descritos podem servir de guia e referência para outros cientistas que utilizam a luz para estudar estes materiais retorcidos muito interessantes.

A explicação do aumento da condutividade pela triagem intercamadas, o método para diferenciar entre resposta bolométrica e fotocondutora e a ideia proposta de empilhamento tridimensional podem muito bem ser usados ​​como base para pesquisas futuras em outros materiais bidimensionais.

Mais informações: H. Agarwal et al, Fotocondutividade de banda ultralarga em heteroestruturas de grafeno torcidas com grande responsividade, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01291-0
Informações do diário: Fotônica da Natureza

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