Enhancement of light-matter interaction and optimization of optoelectronic devices based on graphene and other 2D materials
Authors: Βαγγελίδης Ιωάννης 
Published: January 2024

Το πεδίο της οπτοηλεκτρονικής επικεντρώνεται στην μετατροπή ηλεκτρικών σε οπτικών σημάτων και αντίστροφα, διαδραματίζοντας κρίσιμο ρόλο σε διάφορες εφαρμογές, όπως η φωτοανίχνευση και η υψηλής ταχύτητας οπτικές επικοινωνίες. Η ανάγκη για πιο γρήγορες, υψηλής απόδοσης και οικονομικές συσκευές με επαρκή απόκριση σε χαμηλότερες οπτικές ενέργειες, έχει οδηγήσει τα παραδοσιακά ημιαγώγιμα υλικά στα όριά τους. Σε αυτό το πλαίσιο το γραφένιο, ένα μονοστρωματικό, εξαγωνικό πλέγμα ατόμων άνθρακα έχει αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για νέας γενιάς οπτοηλεκτρονικές και φωτονικές εφαρμογές, λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρονικών και οπτικών του ιδιοτήτων. Συνεπώς, σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί στη σύνθεση και την ενσωμάτωση του σε πλατφόρμες συμβατές με την υπάρχουσα τεχνολογία πυριτίου, επιτρέποντας την υλοποίηση καινοτόμων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη θεωρητική και υπολογιστική μελέτη φωτοανιχνευτών γραφένιου και στις οπτο-θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες. Συγκεκριμένα μελετάτε η φωτοαπόκριση φωτοανιχνευτών γραφενίου μέσω του μηχανισμού μεταφοράς θέρμων φορέων στο γραφένιο, που προκύπτει από τη διάδοση θερμότητας κατά την οπτική του διέγερση. Για την μελέτη αυτή αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό πλαίσιο πεπλεγμένων οπτικών και θερμοηλεκτρικών προσομοιώσεων στο οποίο ενσωματώθηκαν με αυτοσυνεπή τρόπο οι οπτο-θερμοηλεκτρικές ιδιότητες του γραφενίου επιτρέποντας την πλήρη ανάλυση και περιγραφή της απόκρισης των υπό μελέτη φωτοανιχνευτικων διατάξεων.Με την χρήση του προαναφερθέντος υπολογιστικού πλαίσιού, μελετήθηκαν διαφορετικές φωτοανιχνευτικές διατάξεις πλήρως συμβατές με την τεχνολογία συμπληρωματικών ημιαγωγών μετάλλου-οξειδίου (CMOS) που αναδεικνύουν την ανταγωνιστικότητα του γραφενίου για οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Στο εγγύς υπέρυθρο (SWIR), σχεδιάστηκε και βελτιστοποιήθηκε ένας φωτοανιχνευτής γραφενίου ο οποίος αξιοποιεί τον υβριδισμό ενός οπτικού και πλάσμονικου κυματοδηγού ώστε να προκαλέσει ασυμμετρία στην οπτική απορρόφηση στο κανάλι του γραφενίου, με αποτέλεσμα την φωτοαπόκριση της διάταξης χωρίς την ανάγκη εφαρμογής εξωτερικής τάσης μέσω του φωτο-θερμοηλεκτρικού φαινομένου. Η επίδραση των παραμέτρων λειτουργείας της διάταξης καθώς και η επίδραση των ιδιοτήτων των υπό χρήση υλικών αναλύονται διεξοδικά και η αξιοπιστία του μοντέλου μας ελέγχθηκε μέσω της σύγκρισης με πειραματικά αποτελέσματα αντιστοίχων πειραματικών διατάξεων. Με την συγκεκριμένη αρχιτεκτονική επιτυγχάνονται εξαιρετικές αποδόσεις, συμπεριλαμβανομένης υψηλής απόκρισης (~ 0.6 A/W), ευαισθησίας (~ 22 pW/√Hz) και ταχύτητας (~ 80 GHz). Αυτά τα αποτελέσματα υπερβαίνουν τις αποδόσεις συμβατικών φωτοανιχνευτικών διατάξεων στο εγγύς υπέρυθρο. Επιπλέον, δείχνεται ότι η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την χρήση τοπικών πυλών για τη δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου της αντίστασης και της απόκρισης της συσκευής, ανοίγοντας το δρόμο για διατάξεις ισορροπημένης φωτοανίχνευσης. Στην μέσο υπέρυθρο (MWIR), σχεδιάστηκε και μελετήθηκε ένας φωτοανιχνευτής γραφενίου ο οποίος συνδυάζει αποτελεσματικά τον πλασμονικό συντονισμό μιας μεταλλικής μικρο-αντένας με υπερβολικούς φωνονικούς συντονισμούς οι οποίοι εμφανίζονται στο εξαγωνικό vιτριδίο του βορίου (hBN). Ο συγκεκριμένος σχεδιασμός οδηγεί στην αποτελεσματική συγκέντρωση της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας τοπικά στην διεπιφάνεια μιας p-n επαφή γραφενιου και κατ’ επέκταση στην παραγωγή φωτορεύματος μέσω του φωτο-θερμοηλεκτρικού φαινομένου. Ο συνδυασμός των οπτικών και θερμοηλεκτρικών προσομοιώσεων αναπαράγει με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα, ενώ η σύγκλιση αυτή καθιστά δυνατή την βελτιστοποίηση των οπτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων της διάταξης μέσω θεωρητικών υπολογισμών ώστε να επιτευχθεί η μεγιστοποίηση της απόκριση της. Ο φωτοανιχνευτής, λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου και εμφανίζει υψηλές αποδόσεις, με μέγιστη μετρημένη απόκριση 27 mA/W (92 V/W) και ευαισθησία 82 pW/√Hz. Η διάταξη επίσης εμφανίζει υψηλούς χρόνους απόκρισης, με μετρημένο χρόνο ανόδου 17 ns (~ 22 MHz). Επιπλέον, το σύνολο των θετικών χαρακτηριστικών της, όπως η λειτουργία χωρίς την ανάγκη εφαρμογής εξωτερικής τάσης, η ευαισθησία σε διαφορετικές πολώσεις της εισερχομένης ακτινοβολίας, το εκτενές δυναμικό εύρος απόκρισης και η μικρή ενεργός επιφάνεια, αποτελούν συνδυασμό που δεν παρατηρείται στους τρέχοντες φωτοανιχνευτές γραφενίου και εμπορικούς φωτοανιχνευτές στο μέσο υπέρυθρο και καθιστούν τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική ως μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα φωτοανίχνευσης που συμβαδίζει με την τρέχουσα τάση μείωσης του μεγέθους, του βάρους και της κατανάλωσης ενέργειας (SWaP) των συστημάτων υπέρυθρης απεικόνισης.Επιπλέον, στο μέσο και μακρινό υπέρυθρο διερευνήθηκε μια πρωτοποριακή πλατφόρμα φωτοηλεκτρικής φασματοσκοπίας. Η πλατφόρμα αυτή, συνδυάζει ένα δισδιάστατο ενεργό πολαριτονικό υλικό και τον φωτοανιχευτή σε μια ενιαία διάταξη και εκμεταλλεύεται το φωτο-θερμοηλεκτρικό φαινόμενο για την φωτοανίχνευση. Η διέγερση υβριδικών πολαριτονικών συντονισμών στο δισδιάστατο ενεργό υλικό, το οποίο απαρτίζεται από ένα φύλλο γραφενίου ενθυλακωμένο ανάμεσα σε δύο λεπτά υμένια εξαγωνικού vιτριδίου του βορίου έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση διακριτών κορυφών στο φάσμα του φωτορεύματος της διάταξης. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα επαληθεύονται πειραματικά, και παρέχουν μια εις βάθος κατανόηση της συμπεριφοράς της διάταξης ανοίγοντας προοπτικές για βελτιστοποιημένη φωτοανιχνευση με βάση το γραφενίο στο μακρινό υπέρυθρο και πέρα από αυτό. Παρά τις χαμηλές τιμές απόκρισης της διάταξης της τάξης των ~ 5 μA/W, η συγκεκριμένη πλατφόρμα έχει μεγάλη δυναμική για αποτελεσματική φωτοανίχνευση σε μεγάλα μήκη κύματος. Διαθέτει ευρύ οπτικό εύρος το οποίο επεκτείνεται πέρα από το οπτικό κατώφλι των εμπορικών τεχνολογιών ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας και λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς την ανάγκη εφαρμογής εξωτερικής τάσης. Παράλληλα ο συμπαγής της σχεδιασμός επιτρέπει την ενσωμάτωση της στην τεχνολογία CMOS. Εν κατακλείδι, αυτή η έρευνα συνεισφέρει στην προαγωγή των φωτοανιχνευτών γραφενίου, παρέχοντας μια ολοκληρωμένη κατανόηση των οπτο-θερμοηλεκτρικών τους ιδιοτήτων και προτείνοντας βελτιστοποιημένες αρχιτεκτονικές. Η ενδελεχής θεωρητική μελέτη και το υπολογιστικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε σε αυτή την εργασία αποτελούν στέρεα βάση για την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας γραφενίου. Επιπλέον, η έρευνα φωτίζει των πλούτο των φυσικών αλληλεπιδράσεων στα ηλεκτρομαγνητικά υβριδικά συστήματα, ανοίγοντας τον δρόμο για εξατομικευμένες διατάξεις σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της υπερφασματικής απεικόνισης, καθώς και της ηλεκτρικής ανίχνευσης μοριακών δονήσεων και αερίων.