Silikon 40 yıldan uzun süredir katıhal elektroniği için baskın bir malzemeydi ama şimdi başka malzemelerin çeşitliliği, fotonik aygıtlardaki performans gelişimine ve dalgaboyu işlem aralığı yayılımına neden oluyor. Grafen ise böyle bir malzeme- grafen üzerine en çok araştırma yapılmasına rağmen elektronikte başlıca odak malzeme olması uzak. IBM araştırmacıları şimdi grafen tabanlı aygıtların optik iletişimde kullanılabilir olduğunu gösterdiler. Fotonik içine sunulan bu yeni malzeme sistemi popüler olan optik uygulamalar üzerine önemli bir etkiye sahip olabilir.
{Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma}
Bir grafen fotodedektörün şematiği
Fotodedektörler, ışığı elektrik sinyallerine dönüştüren elektronik bileşenlerdir ve örneğin fiber optik ağlarda alıcılar olarak kullanılırlar. Onlar bir elektrik sinyal formu bilgisini ışıkla geri dönerler. Fotodedektörler, genellikle silikon veya galyum arsenik gibi yarıiletkenlerden üretilirler. Foton vurduğu zaman bir yarıiletken elektrik alanda ayrışan ve elektrik akımına yol açan elektron-deşik (elektron yokluğu, hol) çiftini üretir. Bu elektrik alan çoğunlukla bileşene uygulanan harici voltaj tarafından üretilir.
Grafen kullanılmasıyla, araştırmacılar metal ve grafenin arayüzeyinde oluşan iç elektrik alanı kullanarak, titanyum ve paladyum elektrodların teferruatlı kombinasyonu sayesinde onlar dış akıma dayanmayan bir fotodedektör oluşturdular.
Çalışma ile ilgili Fengnian Xia tarafından yapılan açıklama şöyle, “Grafende son fotoakım üretme deneyleri grafenin band-aralıksız doğasına rağmen %15-30 iç kuantum verimliliği ile metal/grafen arayüzleri yakınında güçlü fototepkinin olduğunu gösterdi. Üstelik grafen fotodedektörler 500 GHz’den büyük hızlarda işlem yapabilirler, en azından bu potansiyele sahipler. Bununla birlikte, dış duyarlılık -veya verimlilik- önceki geliştirilen grafen fotodedektörler için görece küçük.”
IBM’in Thomas J.Watson Araştırma Merkezi’nde Dr. Phaedon Avouris’in liderliğinde Nanometer Scale Science ve Technology grubundan Xia ve arkadaşlarının “Graphene Photodetectors for High-Speed Optical Communications” başlıklı makalelerini Nature Photonics’in 28 Mart 2010 tarihli online yayınında yayınladılar. Bu makalede, 1.55 mikrometre dalgaboyunda çalışan her Watt başına 6.1mA dış duyarlılık ile bir basit dikey-etki alanı grafen-metal (MGM) fotodedektör bildirildi. Bu önceki geliştirilen fotodedektörlere kıyasla 15 katlık bir ilerlemeyi göstermektedir.
Grafen fotodedektörlerde ilk kez optik veri bağlantısında saniyede 10 Gbit veri aktarıldığını araştırmacılar tarafından belirtiliyor ve optik bit akışının hatasız tespit edilmesinin de geliştirildiği belirtildi. Tüm bunlara göre ışıkla ilgili çok sayıda optik uygulamalar için grafenin büyük potansiyeli ortaya çıkıyor.
Önceki üretilen grafen alan etkili transistör fotodedektörlerde iç elektrik alanları, foto-üreten taşıyıcıların ayrıştırılmasından sorumludur ve bu iç elektrik alanlar, sadece elektrod/grafen arayüzeylere bitişik en yakın bölgelerde (yaklaşık 0.2 mikrometre) bulunurlar. Yani band eğrilmesine yol açan grafen ve metal arasındaki yük transferinin olduğu yer burası.
“Elektron-deşik çiftlerinin en çok üretildiği bulk grafen düzlemde bir güçlü elektrik alanın yokluğu, dış fotoakımın herhangi bir katkısı olmaksızın taşıyıcı rekombinasyonuna yol açar. Bizim çalışmamızda, biz çoklu, birlikte dokunan metal fingerlar kullandık, bunlar ışık algılama bölgesi, yüksek elektrik alan oluşumuna yol açarlar. Bununla birlikte, eğer elektrodların her ikisi aynı metalden meydana geliyorsa toplam fotoakımı sıfır ve simetrik olan iki komşu fingerlar arasındaki kanalda elektrik alan profili de dahil olur.” şeklinde açıklamalarını sürdürdü Xia.
Araştırmacılar, kanal içinde yerleşen elektrik alan band profilinin ayna simetrisinin kırılmasını kullanarak asimetrik metalleme şeması geliştirdiler.
Grafenin eşsiz band yapısı çalışma dalgaboyları aralığının ultrageniş olmasına olanak sağlayabilir, 300 nm’den 6 mikrometreye kadar. Onun yüksek çalışma hızı, optik iletişim uygulamaları, uzaktan algılama, çevresel izleme, terahertz algılama ve gözetleme gibi uygulamaları içeren çeşitli uygulamalar için grafen fotodedektörler umut verici aday olmasına olanak sağlamaktadır.
Bu teknolojinin geniş aralık uygulamaları için önemli bir sorun ise seri üretim ve yüksek kaliteli grafen düzlemdir. Aslında bu, fotonik ve elektronik grafen araştırması için önemli odak noktalarından biridir.Eğer bu gerçekleştirilebilirse, bu sorun aşılabilirse, grafen çeşitli fotonik uygulamalarında kullanılabilir.
Hazırlayan: Gökhan Atmaca | KuarkMNB
Kaynak: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=15668.php
Fotonik hakkında KBT Bilim Sitesi’ndeki yayınlar için tıklayın.
