Un equip d'investigadors demostra una millora radical a la foto detecció de banda ultraampla amb un dispositiu basat en grafè bicapa, doble, i trenat.

Les imatges hiperespectrals fan servir tot l'espectre de llum per oferir informació detallada sobre la naturalesa i el comportament que tenen. Aquests coneixements tenen múltiples aplicacions en diferents àmbits, des de la conducció autònoma fins a la vigilància mediambiental, l'atenció sanitària, l'exploració espacial o l'agricultura i el processament d'aliments.

L'obtenció d'imatges des de l'infraroig fins al règim de terahercis planteja un desafiament tecnològic, ja que requereix dispositius prou eficients i sensibles a tot el rang de l'espectre. Fins ara, els únics que compleixen parcialment les expectatives són els conjunts de fotoconductors basats en elements de tel·lurur de mercuri i cadmi. Tot i que aquesta és la tecnologia més adequada que existeix actualment, la seva eficiència de rendiment en la detecció de llum no és de banda ampla, ja que tendeixen a ser absorbents eficients per a certes longituds d'ona, però funcionen pitjor per a altres, i simplement no tenen la capacitat de detectar les longituds d'ona de llum més llargues en el règim dels terahercis, que s'estan convertint cada cop més rellevants per a la tecnologia.

Com comenta Frank Koppens, primer autor de l'estudi, "La torsió de materials bidimensionals com el grafè ha revolucionat el camp dels materials quàntics, impulsat pel descobriment de la superconductivitat no convencional. Però recentment també hem vist que és una plataforma per a una àmplia gamma d'aplicacions, per les propietats úniques i altament sintonitzables".

En els darrers anys s'ha demostrat que el grafè bicapa (BLG) és un fotodetector impressionant quan està polaritzat amb camps elèctrics externs, encara que a causa de la seva naturalesa 2D, l'absorció de llum és força limitada. Curiosament, el BLG és compatible amb la tecnologia de silici existent, imprescindible per a la seva introducció al mercat. Tot i això, la necessitat d'aplicar un camp elèctric planteja enormes dificultats a l'hora d'ampliar la fabricació en tres dimensions, cosa que caldria per superar el problema de la baixa absorció de BLG.

Un nou dispositiu

Els dispositius de grafè bicapa doble trenat (TDBG), per altra banda, han esdevingut un material únic que pot evitar aquestes restriccions. El TDBG està fet de dues piles de grafè bicapa girades o tortes en un angle gran (15 graus), que recentment s'ha demostrat que creen el seu propi camp elèctric intrínsec sense la necessitat d'elèctrodes addicionals que compliquin la fabricació en el cas de BLG. Això ha obert perspectives de detecció de banda ampla en un sistema escalable. Però fins ara encara no s'han provat les capacitats de detecció de llum del TDBG.

Els investigadors de l'ICFO Hitesh Agarwal i Krystian Nowakowski, dirigits per l'investigador postdoctoral Dr. Roshan Krishna Kumar i el Professor ICREA de l'ICFO Frank Koppens juntament amb el grup del Professor ICREA a l'ICFO Adrian Bachtold, han treballat en col·laboració amb el grup de Prof. Giacomo Scalari d'ETH Zurich i investigadors de la Universitat de Manchester, NIMS al Japó i CNRS a França, informen en un estudi publicat a Nature Photonics sobre el desenvolupament d'un nou fotodetector de banda ultraampla TDBG. Aquest detector és capaç de detectar llum de forma molt eficient, en un rang espectral que inclou des del teraherci llunyà (longitud d'ona de 100 μm, equivalent a 3 THz) fins a l'infraroig proper (longitud d'ona de 2 μm o 150 THz) i amb una bona eficiència contínua a tot el rang, sense espais. El fotodetector de banda ultraampla ha demostrat tenir una bona eficiència quàntica interna, una millor fotoconductivitat mitjançant el filtratge entre capes i l'escalabilitat del TDBG, ja que no calen portes per aplicar el camp elèctric i obtenir la bretxa energètica (bandgap).

Els investigadors van estudiar exhaustivament la fotoresposta del TDBG. Van fabricar múltiples dispositius de TDBG i van estudiar-ne la fotoconductivitat, és a dir, com canvia la seva resistència elèctrica sota la il·luminació. Com comenta el primer coautor de l'article Krystian Nowakowski, “la idea d'aquest experiment va sorgir després de llegir un estudi on els investigadors havien trobat una petita bretxa energètica electrònica al grafè doble bicapa i trenat (TDBG), sense necessitat d'aplicar un camp elèctric extern, com és el cas per obrir una bretxa energètica a la pila comuna de grafè bicapa (BLG). La presència d’una bretxa energètica fa que el grafè bicapa sigui un bon detector de llum, però la necessitat d’aplicar un camp elèctric extern és una barrera per a les aplicacions a causa de la complexitat d’ampliar la fabricació per a aplicacions industrials”. Després d'examinar la literatura, van veure que ningú no havia provat això amb l'anomenat BLG "doble" o TDBG.

L'equip va decidir centrar tots els esforços a preparar l'experiment. Com recorda Hitesh Agarwal, primer coautor, "fer mostres de TDBG no és pas una tasca trivial. Vam començar exfoliant escates de grafè i vam continuar aquest procés fins que vam poder trobar una escata de grafè bicapa prou gran. Després tallem la fulla per la meitat amb un micromanipulador, agafem una de les meitats, la girem 15 graus i l'apilem sobre l'altra per crear una pila TDBG". Posteriorment, els dispositius es van refredar a una temperatura de 4 Kelvin per realitzar mesuraments precisos de la resistència elèctrica. Sota la il·luminació amb llum d'infraroig mitjà, els investigadors van veure que la resistència disminuïa significativament, cosa que va generar la possibilitat d'utilitzar aquests dispositius com a fotodetectors.

Creativitat a la investigació

Després de diversos mesos de treballar intensament a l'experiment i després del tancament sobtat el 2020, l'equip es va veure obligat a buscar alternatives logístiques i experimentals per poder continuar amb l'estudi, incloent-hi el control remot dels equips per continuar amb els mesuraments durant la pandèmia. Amb una actitud enginyosa i inventiva, l'equip va treballar sense parar per configurar l'experiment, mesurar tant com fos possible i recopilar i comprendre el tipus de dades que estaven obtenint i allò que realment significaven. "Un dels grans desafiaments a què ens enfrontem va ser comprendre realment l'origen de la resposta i comparar-la de manera fiable amb tecnologies comercials", recorda Roshan Krishna Kumar.

Después de muchos meses de analizar datos, determinar qué había que medir y por qué, aprender a distinguir entre varias hipótesis y proponer nuevas ideas que pudieran facilitar la obtención de resultados, finalmente lograron cuantificar la Eficiencia Cuántica Interna - indicador de la fracción de los fotones absorbidos que se convierten en el cambio medido en la corriente eléctrica, y descubrió que la eficiencia de la mayor parte del rango del espectro era igual o superior al 40%, lo cual es un buen valor y muy prometedor cuando se combina con el espectro espectral ultra amplio. alcance y escalabilidad de TDBG.

Després d'analitzar les dades, determinar què calia mesurar i per què aprendre a distingir entre diverses hipòtesis i proposar noves idees que poguessin facilitar l'obtenció de resultats, finalment van aconseguir quantificar l'Eficiència Quàntica Interna, l'indicador de la fracció dels fotons absorbits que es converteixen en el canvi mesurat al corrent elèctric. L'equip va descobrir que l'eficiència de la major part del rang de l'espectre era igual o superior al 40%, la qual cosa és un bon valor, i és molt prometedor en combinar-lo amb l'abast espectral ultra ampli i escalabilitat del TDBG..

Els investigadors posteriorment "van centrar-nos a comprendre el mecanisme físic darrere del senyal mesurat. Després d'una llarga pluja d'idees amb el Prof. Frank Koppens, vam descobrir que la resposta es deu principalment a l'efecte fotoconductor, on els fotons influeixen en la resistència creant directament més parells buits d'electrons, en lloc de l'efecte bolomètric en què els fotons escalfen la mostra influint indirectament en la resistència mitjançant el canvi de temperatura".

Aquest estudi mostra que els mètodes i resultats descrits poden servir com a guia i punt de referència per a altres científics que utilitzen la llum per estudiar aquests interessants materials recaragolats. L'explicació de la millora de la conductivitat mitjançant el cribratge entre capes, el mètode per diferenciar entre resposta bolomètrica i fotoconductora i la idea proposada d'apilament tridimensional es poden fer servir com a base per a futures investigacions sobre altres materials bidimensionals.