研究人员在光电探测器中使用石墨烯

在新的石墨烯对硅光电探测器中，电极（金）在硅波导（紫色）的任一侧上略微不对称。不对称使电子通过输入光使电子踢动以使石墨烯层（六边形）作为电流逸出。图形提供了研究人员

新出版的研究详细说明书石墨烯可以用于光电探测器，以将光信号转换为集成光电计算机芯片中的电信号。

石墨烯 - 由六角形排列的原子厚碳原子组成 - 是新的奇迹材料：柔性，轻巧，令人难以置信的电气，它也是男人所知的最强材料。

在最新问题的自然光子学中，MIT，哥伦比亚大学的研究人员和IBM的T. J.Watson研究中心描述了石墨烯的有希望的新应用，这将使光学信号转换为集成光电计算机芯片中的电信号。使用光而不是电力在计算机芯片之间和电脑芯片之间移动数据可能会大大降低其功耗和热量生产，随着芯片的计算能力的增加而越来越大的问题。

由石墨烯构建的光电器件可以在设计方面比其他材料制成的光电器件更简单。如果有效地沉积石墨烯层的方法 - 可以找到材料科学研究的主要研究领域 - 可以找到，最终可能导致更简单和更便宜的光电芯片。

“另一个优点是，除了制造装置制造更简单的可能性之外，石墨烯中电子的高迁移率和超高载流子饱和速度为非常快速的探测器和调制器，”杰米森职业发展助理教授电气工程教授Dirk Englund说和麻省理工学院的计算机科学，谁领导了新的研究。

Graphene还响应于比光电探测器中通常使用的材料的更宽范围的光频率，因此基于石墨烯的光电芯片可以想到使用更广泛的带光信号，使它们能够更有效地移动数据。“一个双微米的光子只是通过锗光电探测器直接飞过，”Englund说，“但它被吸收并导致可测量的电流 - 正如我们在纸上实际上展示的那样 - 在石墨烯中。”

无偏见的账户

随着Englund解释，石墨烯作为光电探测器的问题传统上是其低响应度：一片石墨烯将仅转换为电流的约2％的光线。这实际上是一个只有雾厚的材料非常高，但它仍然太低而无法有用。

当光撞击像锗或石墨烯这样的光电材料时，它将材料的电子轨肌踢到更高的能量状态，在那里它们在电流中自由流动。但是，如果他们没有立即开始移动，他们通常会掉落到较低的能量状态。因此，增加光电探测器的响应性的一个标准技巧是“偏置”它 - 在其施加电压时施加电压，使电子在失去能量之前流动。

问题是电压不可避免地引起一个略微的背景电流，该电流为探测器的读数增加了“噪声”，使它们不太可靠。所以Englund，他的学生Ren-Jye Shiue，Columbia的Xueao Gan - 以及Shiue，他的牵头作者是论文的主要作者 - 他们的合作者使用了由凤年夏和他的同事于IBM开发的光电炼制器设计，这产生了轻微的偏见没有电压的应用。

在新设计中，光通过硅通道进入检测器 - 将“波导” - 蚀刻到芯片的表面中。石墨烯层沉积在顶部和垂直于波导的顶部。在石墨烯层的两侧是金电极。但电极的放置是不对称的：其中一个比另一个更靠近波导。

“金属接触和石墨烯中电子能量之间存在不匹配，”Englund说，“这在电极附近产生电场。”当通过波导中的光子踢起电子时，电场将它们拉到电极，产生电流。

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在实验中，研究人员发现，对于每个进入光线的电流产生16毫安的电流。其检测频率为20千兆赫兹 - 已经与锗竞争。（一些实验锗光电探测器已经达到了更高的速度，但仅在偏见时。）随着略微偏差的应用，探测器可以每瓦达到100毫安，对锗的反应性相称。

Englund相信更好的工程 - 更薄的电极或更窄的波导 - 可以产生光电探测器，其反应率更高。“这是一个工程问题，”他说。“我们已经测试了一些新的技巧来获得两四个或四个。”

“我认为这是一项伟大的工作，”维也纳理工学院的光子学院助理教授托马斯穆勒说。“石墨烯光电探测器的主要缺点始终是它们的低响应性。现在他们有两个数量级的响应度，这真的很棒。“

“我非常喜欢的另一件事是与芯片芯片的集成，”穆勒补充说：“这真的表明，最终将能够将石墨烯集成到计算机芯片中以实现光学链接和类似的东西。“

事实上，同样的自然光子术问题还包括穆勒和同事的纸张，报告工作与Englund和他的团队进行了非常相似。“我们不知道我们正在做同样的事情，”穆勒说。“但我很高兴两篇论文在同一主题中出现在同一主题中，这表明这是一件重要的事情，我想。”

两个团体工作之间的主要差异穆勒说，“我们使用略有不同的几何形状”。但是，他补充说，“老实说，我认为Dirk的几何形状更加实用。我们也在考虑同样的事情，但我们没有技术能力来做这件事。有一个过程，他们这样做是我们无法做到的。“

出版物：XueTao Gan等，“芯片集成超快石墨烯光电探测器，具有高响应性”，自然光子，2013; DOI：10.1038 / nphoton.2013.253

图像：图形提供了研究人员

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