NTT Corporation (“NTT”) e o National Institute for Materials Science (NIMS) obtiveram juntos a operação sem polarização mais veloz do mundo1 (220 GHz) para um fotodetector de grafeno2. Além disto, a pesquisa conduzida pela NTT e pelo NIMS esclareceu pela primeira vez o processo de conversão de sinais óticos em elétricos no grafeno. O grafeno apresenta alta sensibilidade e alta velocidade de resposta a uma ampla gama de ondas eletromagnéticas, de terahertz (THz) a ultravioleta (UV). Por isto, ele é um material de fotodetecção promissor para possibilitar uma alta velocidade de conversão de sinais óticos em elétricos nas faixas de comprimento de onda em que os dispositivos semicondutores existentes não podem operar. Porém, até o momento, a velocidade operacional sem polarização demonstrada esteve limitada a 70 GHz, devido à estrutura convencional do dispositivo e ao equipamento de medição. Por este motivo, o desafio dos fotodetectores de grafeno é demonstrar velocidades de operação de 200 GHz e esclarecer propriedades inerentes do grafeno, como o processo de conversão de sinais óticos em elétricos.
Neste estudo, a NTT e o NIMS demonstraram uma operação de alta velocidade com banda larga de 3 dB de 220 GHz ao remover o atraso da corrente causado pela estrutura do dispositivo usando uma fina película de óxido de zinco (ZnO) como material da porta e a tecnologia de espectroscopia THz no chip para ler a corrente em alta velocidade. A pesquisa também descobriu uma compensação entre a velocidade de operação e a sensibilidade ao comparar as características dos fotodetectores fabricados em grafeno de diferentes qualidades. Os resultados possibilitarão que os fotodetectores de grafeno sejam otimizados, conforme o uso a que se destinam, como em sensores óticos priorizando a sensibilidade ou em conversores de sinais óticos em elétricos, priorizando a velocidade. Esta pesquisa inovadora foi publicada online no jornal científico britânico Nature Photonics de 25 de agostode 2022.
O grupo de pesquisa estudou a conversão de sinais óticos em sinais elétricos no grafeno, com o foco no efeito fototermelétrico3, que possibilita uma operação sem polarização necessária para aprimorar o consumo de potência e da relação sinal/ruído. Além disto, a pesquisa mostrou que, ao contrário do entendimento convencional, o tempo de resposta da corrente é quase independente do tamanho do fotodetector. Além disto, o tempo desde a irradiação da luz até a geração da corrente pode variar significativamente desde menos de 100 fs a mais de 4 ps, dependendo da densidade da portadora.
Estes resultados demonstram o potencial do grafeno como um fotodetector de banda larga de alta velocidade. Porém, o grafeno neste experimento foi obtido da esfoliação do grafite, o que o torna inadequado à produção em massa. No futuro, os pesquisadores da NTT avaliarão fotodetectores utilizando grafeno de grande área que podem ser produzidos em massa. Os pesquisadores têm criado ativamente materiais que não existem na natureza por meio de camadas de grafeno e de outros materiais bidimensionais (materiais de camada atômica única ou multicamadas). Os pesquisadores também buscarão materiais que possam obter operações ainda mais rápidas aproveitando ao máximo esta tecnologia. Você pode ler todos os detalhes sobre esta inovação aqui.
1 No grafeno em especial, uma operação sem polarização é essencial para melhoria do consumo de potência e na relação sinal/ruído.
2 Um dispositivo que detecta eletronicamente a luz ao converter sinais óticos em sinais elétricos.
3Alterando a temperatura pela irradiação do material com luz para gerar tensão.
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