由二维材料制成的快速光检测器

 
带有二维异质结构薄层，光波导和电触点的ETH光检测器的电子显微镜图像，可通过该图像读取检测器的信号。图片来源：苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的两个研究小组已联合开发一种新型的光探测器。它由耦合到硅光波导的不同材料的二维层组成。将来，这种方法也可以用于制造LED和光学调制器。
快速高效的调制器以及光检测器是通过光纤电缆传输数据的核心组件。近年来，基于现有光学材料的那些电信构建基块一直在不断改进，但是现在变得越来越难以实现进一步的改进。正如苏黎世联邦理工学院的两个研究小组现在所显示的，这需要不同专业的联合力量。
由电磁场研究所的JürgLeuthold教授和光子学研究所的Lukas Novotny教授领导的一组科学家，与日本筑波大学国家材料科学研究所的同事一起，开发了一种基于超快和灵敏的光探测器新型二维材料与纳米光子光波导之间的相互作用的研究。他们的结果最近发表在科学期刊《自然纳米技术》上。
二维材料
“在我们的探测器中，我们想利用不同材料的优势，同时克服它们各自的局限性，”博士NikolausFlöry解释说。诺沃特尼小组的学生。 “这样做的最好方法是从每层只有几个原子厚的不同层中制造一种人造晶体，也称为异质结构。此外，我们想知道是否所有关于这种二维材料的嗡嗡声实际应用是合理的。”
在诸如石墨烯的二维材料中，电子仅在一个平面中移动，而不是在三个空间维度上移动。例如，当施加电压时，这会极大地改变其传输性能。尽管石墨烯不是光学应用的理想选择，但过渡金属(例如钼或钨)和硫族元素(例如硫或碲)(缩写为TMDC)的化合物具有很高的感光度，最重要的是，可以轻松地与硅光波导结合使用。
用于表征新型光探测器原型的实验装置。图片来源：苏黎世联邦理工学院不同方法的相互作用
波导和高速光电技术的专业知识来自于尔格·洛伊特霍尔德(JürgLeuthold)研究小组。该小组的高级科学家马平强调，正是这两种方法之间的相互作用才使新的探测器成为可能：“了解二维材料和将光馈入探测器的波导对我们来说至关重要。在一起，我们意识到二维材料特别适合与硅波导结合使用。我们团队的专长相得益彰。”
研究人员必须找到一种方法来使通常比较慢的基于TMDC的探测器更快。另一方面，检测器必须最佳地耦合到用作接口的硅结构上，而不牺牲其高速性能。
通过垂直结构的速度
“我们通过实现由TMDC(在我们的情况下为二碲化钼)和石墨烯制成的垂直异质结构解决了速度问题，”Flöry说。与传统的探测器不同，在这种情况下，被入射光粒子激发的电子在被测量之前不需要先穿过大部分材料。相反，TMDC的二维层确保电子可以在很短的时间内向上或向下离开材料。
它们离开的速度越快，检测器的带宽就越大。带宽指示可以以什么频率接收以光脉冲编码的数据。 Flöry说：“我们曾希望通过我们的新技术获得几千兆赫兹的带宽-最终，我们实际上达到了50吉赫兹。”到目前为止，使用基于TMDC的探测器可以实现小于千兆赫的带宽。

 
显示了二碲化钼晶体。晶体的晶圆薄层可以与两个石墨烯层结合以构成垂直异质结构。来源：苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)通过将检测器集成到纳米光子光波导中可以实现最佳光耦合。从波导横向突出的所谓的e逝波将光子通过石墨烯层(电阻低)馈入异质结构的二碲化钼层。
在那里，它们激发最终被检测为电流的电子。集成波导设计可确保在此过程中吸收足够的光。
具有多种可能性的技术
ETH研究人员坚信，通过波导和异质结构的这种结合，他们不仅可以制造光探测器，还可以制造其他光学元件，例如光调制器，LED和激光器。 “可能性几乎是无限的，”Flöry和Ma对其发现充满热情。 “我们只是挑选了光电探测器作为该技术可以完成的示例。”
在不久的将来，科学家们希望利用他们的发现并研究其他二维材料。迄今为止，已知它们中的一百种，为新颖的异质结构提供了无数种可能的组合。而且，他们希望利用其他物理效应，例如等离激元，以进一步提高其设备的性能。