Utilitzen cavitats de plasmons de grafè per obtenir fotodetectors de terahertzs avançats i escalables
Investigadors de l'ICFO han desenvolupat una nova plataforma basada en monocapes de grafè que produeix una resposta elèctrica eficient quan s'exposa a llum de terahertzs.
La fotodetecció es potencia mitjançant una cavitat amb plasmons acústics de grafè, una configuració que supera un important coll d'ampolla en la fabricació alhora que millora el rendiment del dispositiu. Aquests resultats, publicats a ACS Photonics, aplanen el camí cap a fotodetectors de THz pràctics i altament sensibles, amb aplicacions potencials en camps com la biomedicina i les telecomunicacions.
Com podríem distingir de manera no invasiva entre teixit sa i cancerós? I com podríem augmentar la velocitat de les comunicacions sense fils? Aquestes dues preguntes, sense aparent relació, podrien compartir la mateixa resposta: la llum de terahertzs (THz). Amb freqüències que oscil·len entre 0,3 i 20 THz, aquesta llum interactua amb la matèria sense malmetre-la i permet una transferència de dades més ràpida que les ones de ràdio. És, per tant, ideal per impulsar nombroses aplicacions en biomedicina i telecomunicacions, per a les quals calen detectors que siguin senzills i alhora sensibles i ràpids.
El repte, però, és enorme. Actualment, quan els detectors són prou ràpids i operen a temperatura ambient, pateixen nivells elevats de soroll; i quan es minimitza el soroll, alguns només funcionen en un rang de freqüències molt reduït i sota refredament criogènic, mentre que d'altres ofereixen operació de banda ampla però amb temps de resposta molt més lents. Lluny de rendir-se, els investigadors continuen buscant maneres de desenvolupar el detector de THz (gairebé) ideal, aquell que podria fer realitat el diagnòstic no invasiu del melanoma o les comunicacions sense fils d'alta velocitat.
Investigadors de l'ICFO, el Dr. Domenico De Fazio, el Dr. Sebastián Castilla, el Dr. Karuppasamy P. Soundarapandian, el Dr. Simone Marconi, en Riccardo Bertini, el Dr. Roshan K. Kumar, dirigits pel Prof. ICREA Frank Koppens, juntament amb l'Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), la Universitat de Saragossa, la Universitat de Ioanina, la Queen Mary University of London, la Universitat de Manchester, i l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), han fet ara un pas endavant en aquesta direcció. L'equip ha dissenyat un nou dispositiu basat en una monocapa de grafè que, quan li arriba radiació de THz i es refreda amb nitrogen líquid, emet un senyal elèctric intens. Els resultats, publicats a ACS Photonics, obren una via per construir detectors de THz pràctics, ajustables i selectius.
Una cavitat de terahertzs amb plasmons acústics de grafè
La innovació clau de l'estudi va ser la creació d'una cavitat de terahertzs basada en els anomenats plasmons acústics de grafè (AGP, per les seves sigles en anglès), oscil·lacions d'electrons que es mouen conjuntament sobre la superfície del grafè. El dispositiu utilitza una antena de THz que concentra la radiació entrant i "activa" els AGPs dins del grafè, on queden atrapats i formen ressonàncies d'ona estacionària, de manera similar a com el so ressona dins d'un instrument musical.
Aquests plasmons acústics en concret comprimeixen la llum en espais molt més petits que la seva longitud d'ona (a nanoescala), la qual cosa potencia dràsticament la interacció de la llum amb el grafè i la consegüent absorció. Aquesta absorció provoca un escalfament localitzat en dues regions diferents del grafè, elevant les seves temperatures en diferent mesura. Aquesta diferència de temperatura es converteix llavors en un senyal elèctric mesurable, el qual indica que, efectivament, la llum ha estat detectada.
El grafè ja s'havia emprat anteriorment per a la detecció de llum de THz, principalment degut a la seva capacitat per interactuar amb un ampli rang de freqüències, la seva ràpida i eficient generació de corrent en exposar-se a radiació de THz i la seva alta capacitat per ajustar-se a unes condicions o unes altres. No obstant això, aquest material, en tenir tan sols un àtom de gruix, absorbeix poca radiació de THz tret que la interacció entre llum i matèria es potenciï considerablement. Com a resultat, els plasmons de grafè anteriors eren o bé massa febles, la qual cosa comportava respostes a la llum de THz insuficients, o bé requerien encapsulació amb nitrur de bor hexagonal (hBN), afegint una complexitat i un cost significatius tant al procés de fabricació com a la producció a gran escala.
“Mitjançant una cavitat plasmònica, en canvi, obtenim una fotoresposta millorada que supera en un 30% la màxima resposta convencional, fins i tot sense encapsulació amb hBN”, explica el Prof. ICREA Frank Koppens, investigador principal de l'estudi. La plataforma podria, per tant, aprofitar-se per construir sensors compactes i eficients per a la identificació de materials, ja que molts compostos químics absorbeixen i emeten llum en el règim dels THz. “La clau”, comparteix el Dr. Sebastián Castilla, qui també va participar en l'estudi, “va ser produir monocristalls de grafè mitjançant un mètode de creixement específic anomenat deposició química en fase vapor, així com aprofitar les ressonàncies de la cavitat d'AGPs per concentrar el camp de THz incident”.
Segons l'equip, la seva proposta podria inspirar nous mètodes de creixement que redueixin encara més les pèrdues en els plasmons, mantenint la seva intensitat també a temperatura ambient. Aquesta fita, si s'assolís, marcaria definitivament un punt d'inflexió per a la detecció en el rang dels THz.
Referència:
Domenico De Fazio, Sebastián Castilla, Karuppasamy P. Soundarapandian, Tetiana Slipchenko, Ioannis Vangelidis, Simone Marconi, Riccardo Bertini, Vlad Petrica, Yang Hao, Alessandro Principi, Elefterios Lidorikis, Roshan K. Kumar, Luis Martín-Moreno, and Frank H. L. Koppens, Enhanced Terahertz Photoresponse via Acoustic Plasmon Cavity Resonances in Scalable Graphene, ACS Photonics Article ASAP
DOI: 10.1021/acsphotonics.6c00272
Agraïments:
This work has been funded by the PRIN PNRR 2022 project “Continuous THERmal monitoring with wearable mid-InfraRed sensors (THERmIR)” (code P2022AHXE5, CUP 53D23007320001), by the INTERREG VI-A Italy–Croatia 2021–2027 project titled “Civil Protection Plan Digitalization through Internet of Things Decision Support System based Platform (DIGITAL PLAN)” (code ITHR020043, CUP H75E23000200005), and by the PRIMA 2023 project “Food value chain intelligence and integrative design for the development and implementation of innovative food packaging according to bioeconomic sustainability criteria (QuiPack)” (CUP H73C23001270005). TS and LMM acknowledge projects PID2023-148359NB-C21 and CEX2023-001286 S (financed by MICIU/AEI/10.13039/501100011033) and the Government of Aragón through Project Q-MAD. A.P. acknowledges support from the Leverhulme Trust under the grant agreement RPG-2023-253. Furthermore, the research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme under grant agreement no.785219 and no. 881603 Graphene Flagship for Core2 and Core3. S.C., S.M., K.P.S., and F.H.L.K. acknowledge PDC2022-133844-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGenerationEU/PRTR”. S.C., K.P.S., and F.H.L.K. acknowledge funding for the ERC PoC project TERACOMM, grant no. 101113529.