Graphene optoelectronics from the visible to the mid-infrared
Authors:   , Badioli Michela 
Published: October 2023

Since its discovery in 2004, graphene, a one-atom-thick layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, has attracted huge interest from the scientific community due to its extraordinary electronic, mechanical, and optical properties. While most of the earliest studies focused on electronic transport, in recent years the fields of graphene photonics and optoelectronics have thriven.
The goal of this thesis is to explore the use of graphene for novel optoelectronic devices, adopting different approaches to enhance the electrically tunable graphene-light interaction in a broad spectral range, from the visible to the mid-infrared. This includes investigating the sub-wavelength interaction and energy transfer between a dipole and a graphene sheet, as well as working on efficient photodetection schemes.
Indeed graphene high electronic mobility, broadband absorption, flexibility and tunable optoelectronic properties (described in Chapter 1) make it extremely appealing for the development of optoelectronic applications with new functionalities.
Concerning the devices, the starting point of the experiments presented in the thesis are graphene field effect transistors of different geometries, whose fabrication and characterization techniques are described in Chapter 2. The tunability of the optoelectronic properties via control over the Fermi energy is an essential feature of the fabricated devices. The change in the Fermi level is achieved applying a voltage to a back-gate or a polymer electrolyte top-gate.
We address both aspects at the core of optoelectronics, i.e. the control of optical properties with electric fields and the modification of electrical quantities, such as current, with light. Therefore the first part of the thesis (comprising Chapter 3, 4 and 5) is devoted to graphene nanophotonics and plasmonics, while the second part deals with graphene-based photodetection (Chapter 6, 7, 8 and 9).
In Chapter 3, the main concepts at the basis of graphene nanophotonics are presented, such as the electrical tunability and the strong field confinement of the 2D plasmons, as well as the coupling of an optical emitter to graphene plasmons or electron-hole pair excitations. Then we present two experiments showing the control of light by means of static electric fields. In Chapter 4 we show the electrical control of the relaxation pathways of erbium ions in close proximity to a graphene sheet: the energy flow from the emitters is tuned to electron-hole pairs in graphene, to free space photons and to plasmons by changing the graphene Fermi level. In Chapter 5 we present the real-space imaging and tuning of highly confined graphene plasmons in the mid-infrared, launched by the dipole of a metallized s-SNOM tip (Chapter 5). In this case modifying the graphene Fermi level leads to a change in the plasmon wavelength.
In Chapter 6 we review existing schemes for graphene photodetectors and the main mechanisms enabling photodetection with graphene, with particular emphasis toward the photothermoelectric effect. Then we present three cases where graphene photoresponse is enhanced exploiting the interaction with surrounding materials. A hybrid graphene-quantum dot photodetector in the visible and near-infrared is reported in Chapter 7: a photogating effect after light absorption in the quantum dots leads to extremely high responsivities (over one million A/W). In Chapter 8 we demonstrate how the excitation of bulk phonons of a polar substrate enhances the mid-infrared photocurrent via a photothermoelectric effect. Also substrate surface phonons, launched by illuminating a metal edge with light polarized perpendicularly to it, lead to an increase in the photoresponse, as described in Chapter 9.
The results presented in this thesis open new avenues in the field of graphene-based optoelectronics for active nano-photonics and sensing.
Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno, una sola capa átomos de carbono en un retículo hexagonal, ha atraído un gran interés de la comunidad científica debido a sus propiedades electrónicas, mecánicas y ópticas extraordinarias. Los primeros estudios se centraron en el transporte electrónico, pero en los últimos años estudios en el campo de la fotónica y de las propiedades optoelectrónicas del grafeno han suscitado un mayor interés. El objetivo de esta tesis es explorar el uso del grafeno para nuevos dispositivos optoelectrónicos, adoptando diferentes enfoques para mejorar la interacción del grafeno con la luz en un amplio rango espectral, desde el rango visible hasta el infrarrojo medio. Esto incluye la investigación de la interacción y la transferencia de energía entre un dipolo y una monocapa de grafeno cercana, así como trabajar en esquemas de fotodetección eficientes.
La alta movilidad electrónica, la absorción de banda ancha, la flexibilidad y las propiedades optoelectrónicas sintonizables (véase Capítulo 1) hacen que el grafeno sea extremadamente atractivo para el desarrollo de aplicaciones optoelectrónicas con nuevas propiedades funcionalidades.
En cuanto a los dispositivos, el punto de partida de los experimentos presentados en esta tesis son transistores de efecto de campo con diferentes geometrías, cuya fabricación y técnicas de caracterización se describen en el Capítulo 2. La capacidad de ajuste de las propiedades optoelectrónicas a través del control de la energía de Fermi es una característica esencial de los dispositivos, y se logra con la aplicación de un voltaje de puerta.
Nos dirigimos a ambos aspectos a la base de la optoelectrónica, es decir, el control de las propiedades ópticas con campos eléctricos y la modificación de magnitudes eléctricas, como la corriente con la luz incidente. Por tanto, la primera parte de la tesis (Capítulos 3, 4 y 5) se dedica al estudio de la nanofotónica y plasmónica del grafeno, mientras que la segunda parte se ocupa de fotodetección basada en grafeno (Capítulos 6, 7, 8 y 9).
En el Capítulo 3, se explican los principales conceptos del campo de la nanofotónica de grafeno, como la capacidad de ajuste eléctrico y el fuerte confinamiento de los plasmones 2D, así como el acoplamiento de un emisor óptico con los plasmones o pares electrón-hueco. Luego se presentan dos experimentos que muestran el control de la luz por medio de campos eléctricos estáticos. En el Capítulo 4 se muestra el control eléctrico de las vías de relajación de iones de erbio en las proximidades de una monocapa de grafeno: el flujo de energía a partir de los emisores se puede dirigir a pares electrón-hueco en el grafeno, a fotones y a plasmones cambiando el nivel de Fermi del grafeno. En el Capítulo 5 se presenta la excitación y el ajuste de plasmones de grafeno altamente confinados en el infrarrojo medio, activado mediante el dipolo de una punta de microscopia de campo cercano (Capítulo 5).
En el Capítulo 6 se revisan los fotodetectores de grafeno existentes y los principales mecanismos que permitan fotodetección con grafeno. A continuación se presentan tres casos donde la fotorrespuesta del grafeno se mejora con la explotación de la interacción con los materiales circundantes. Un fototransistor híbrido de grafeno y puntos cuánticos (véase Capitulo 7) llega a responsividad extremadamente alta en el visible y infrarrojo cercano (más de un millón de A/W). En el Capítulo 8 se demuestra cómo la excitación de fonones de bulk de un sustrato polar aumenta la fotocorriente en el infrarrojo medio a través de un efecto
fototermoeléctrico. También fonones superficie del sustrato, lanzados por la iluminación de un borde de metal con luz polarizada perpendicularmente, conducen a un aumento en la fotorrespuesta (Capítulo 9).
Los resultados presentados en esta tesis abren nuevos caminos en el campo de la optoelectrónica basada en el grafeno en el campo de la nano-fotónica activa y de los sensores