Study and simulation of graphene based optoelectronic devices from near infrared to THz
Authors: Δούκας Σπυρίδων-Χρυσοβαλάντης 
Published: February 2023

Ο μετασχηματισμός ενός ηλεκτρικού σήματος σε οπτικό, καθώς και η αντίστροφη διαδικασία, αποτελεί το κύριο αντικείμενο του ερευνητικού κλάδου της οπτοηλεκτρονικής. Αυτές οι φυσικές διεργασίες αποτελούν την βάση για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της φωτοανίχνευσης και των εξαιρετικά γρήγορων οπτικών επικοινωνιών. Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ταχύτερες, υψηλών επιδόσεων και οικονομικά αποδοτικότερες συσκευές, με επαρκή απόκριση σε όλο και μεγαλύτερα μήκη κύματος, ωθεί τα συμβατικά υλικά στα όριά τους. Το γραφένιο, ένα μονοατομικού πάχους εξαγωνικό πλέγμα άνθρακα, έχει αναδειχθεί ως ιδανικό υλικό για να καλύψει αυτά τα κενά, από την στιγμή της απομόνωσης του ως μονοατομικό φύλλο το 2004. Οι μοναδικές ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητές του έχουν πυροδοτήσει πληθώρα ερευνών σχετικά με τη χρήση του σε οπτοηλεκτρονικές και φωτονικές εφαρμογές. Σαν αποτέλεσμα, τεράστια βήματα έχουν επιτευχθεί κατά την τελευταία δεκαετία όσον αφορά τη σύνθεση και την ενσωμάτωσή του με την ώριμη τεχνολογία ημιαγωγών, για την υλοποίηση πρωτοπόρων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Σε αυτή τη διατριβή η χρήση του γραφενίου, σε συνεργασία με την ώριμη τεχνολογία πυριτίου, διερευνάται υπολογιστικά για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση πρωτοπόρων διατάξεων φωτοανίχνευσης και οπτικής διαμόρφωσης. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε ένα αυτοσυνεπές υπολογιστικό πακέτο, το οποίο περιλαμβάνει όλο το εύρος της δυναμικής των φορέων του γραφενίου, λαμβάνοντας υπόψιν την θέρμανση και ψύξη των φορέων αυτών, την οπτική απόκριση και τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου καθώς και τον σχηματισμό ετεροεπαφών γραφενίου. Το υπολογιστικό πακέτο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πλήρη και ρεαλιστική αναπαράσταση διατάξεων και χρησιμοποιείται για τη μελέτη οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών που εκτείνονται από το εγγύς υπέρυθρο έως τα THz. Οι διατάξεις που σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν με το προαναφερθέν υπολογιστικό πακέτο αναδεικνύουν τις δυνατότητες και την ανταγωνιστικότητα του γραφενίου για την υλοποίηση οπτοηλεκτρονικών σχημάτων, πλήρως συμβατών με την τεχνολογία συμπληρωματικών ημιαγωγών μετάλλου-οξειδίου (CMOS). Στο εγγύς υπέρυθρο σχεδιάστηκε ένας οπτικός διαμορφωτής, με σκοπό την διαμόρφωση ανακλαστικότητας, συνδυάζοντας την μεταβαλλόμενη ηλεκτρικά απορρόφηση του γραφενίου με διηλεκτρικές κοιλότητες Bragg. Υιοθετώντας πρακτικές υποθέσεις για την βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής της διάταξης, δείχνεται ότι η αποδοτική διαμόρφωση του πλάτους της ανακλαστικότητας (~ 30 dB) με μικρές απώλειες εισαγωγής (< 3 dB) σε υψηλές συχνότητες διαμόρφωσης (GHz) είναι δυνατή, ανεξάρτητα από την ποιότητα του γραφενίου (δηλαδή, την ευκινησία των φορέων του). Στο μέσο υπέρυθρο παρουσιάζονται θερμιονικοί φωτοανιχνευτές ετεροεπαφών Schottky γραφενίου/πυριτίου, εκμεταλλευόμενοι την θέρμανση των φορέων του γραφενίου, με σκοπό την φωτο-θερμιονική εκπομπή τους πάνω από το φράγμα δυναμικού που σχηματίζεται στην διεπιφάνεια της ετεροεπαφής, σε μια πολυφασματική πλατφόρμα φωτοανίχνευσης. Δείχνεται πώς, υστερα από κατάλληλο σχεδιασμό και βελτιστοποίηση, αποκρισιμότητα ~1 A/W και ανιχνευτικότητα ~10^7 Jones είναι επιτεύξιμες, σε μια πλατφόρμα ικανή για εξαιρετικά γρήγορη (GHz) φωτοανίχνευση. Η πλατφόρμα αυτή στην συνέχεια επεκτείνεται στο μακρινό υπέρυθρο, όπου οι πλασμονικοί συντονισμοί σε νανολωρίδες γραφενίου, με τις τελευταίες να σχηματίζουν μια σειρά επαφών Schottky γραφενίου/πυριτίου, εκμεταλλεύονται ώστε να οδηγήσουν σε θέρμανση των φορέων, επιτρέποντας την θερμιονική εκπομπή τους πάνω από το φράγμα δυναμικού. Στην διάταξη αυτή επιδεικνύεται η ικανότητα παραγωγής φωτορεύματος, επιτρέποντας την ηλεκτρική ανίχνευση πλασμονίων γραφενίου, οδηγώντας σε αποκρισιμότητα της τάξης των ~ 110 mA/W και ισοδύναμη ισχύ θορύβου ~ 190 pW/Hz^0.5. Η πρωτότυπη αυτή διάταξη χρησιμοποιείται, επιπλέον, για την υλοποίηση ενός χημικού αισθητήρα, μέσω της μεθόδου επιφανειακής ενίσχυσης της υπέρυθρης απορρόφησης (SEIRA), ικανού να ανιχνεύσει την παρουσία ενός αναλύτη ο οποίος βρίσκεται σε εγγύτητα με το γραφένιο, μεταφράζοντας την παρουσία του σε αλλαγές στο φωτορεύμα, αναδεικνύοντας το μοριακό του αποτύπωμα.Τέλος, το υπολογιστικό πακέτο που αναπτύχθηκε σε αυτήν την διατριβή, υλοποιείται για να παρέχει θεωρητική υποστήριξη σε πειράματα φασματοσκοπίας THz στο πεδίο του χρόνου. Οι προσομοιώσεις, σε τέλεια συμφωνία με τα πειράματα, χρησιμοποιούνται για την ερμηνεία της αυτο-επαγόμενης διαμόρφωσης του πλάτος της απορρόφησης, ~ 30 dB, που παρατηρήθηκε σε μια διάταξη λεπτού υμενίου με βάση το γραφένιο ύστερα από ισχυρή ακτινοβόληση με παλμούς ακτινοβολίας THz, παρέχοντας πληροφορίες για την δυναμική των φωτοδιεγερμένων φορέων. Oι μέθοδοι και τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη διατριβή επικυρώνονται πειραματικά και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίησηαξιόπιστων προσομοιώσεων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων με βάση το γραφένιο. Τέλος, δεν περιορίζονται σε μια συγκεκριμένη οικογένεια υλικών, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με εναλλακτικές πλατφόρμες, παράλληλα με το γραφένιο, για τον ρεαλιστικό σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση διατάξεων οπτοηλεκτρονικής.