由美國普渡大學(Purdue University)與丹麥技術大學(Technical University of Denmark)科學家聯手組成的國際研究團隊日前發現,利用一種新穎的碎形超穎表面(fractal metasurface)設計,有助於使石墨烯天然的光吸收能力提高10倍以上。

這項研究發表在《奈米通訊》(Nano Letters)期刊的「以不規則的碎形超穎表面增強石墨烯光偵測器」(Enhanced Graphene Photodetector with Fractal Metasurface)一文,研究人員詳細介紹由於碎形的超穎表面有助於促進電洞對的產生,因而能大幅改善石墨烯天生較差的光吸收能力。

這種新的研究途徑較一般依賴窄頻與偏振特性的電漿奈米結構解決方案更勝一籌。研究人員強調,他們提出的純金碎形超穎表面設計在可見光譜部份具有更好的光吸收性,而且對於偏振並不靈敏。

這種超導表面是由厚度與寬約40n的純金線組成,再透過電子束微影從Ti (3nm)/Au (40nm)金屬化層進行圖形化,成為緊緻密實的不規則雪片幾何圖案。

20170123 graphene NT01P1 基於石墨烯的碎形光偵測器概念圖 (來源:普渡大學)

這種樹狀結構的直徑約10μm,包括6個新分支從每一新根點延伸4 層,另外的3層碎形結構以同心圓的方式聚集原始的碎形部份。在進行實驗時,碎形超穎表面連接至石墨烯場效電體(FET)的汲極(石墨烯層在高度摻雜的矽基板上生長),並從源極延伸出圓形的純金圖形。

為了進行比較與參考,研究人員還製作了一種與碎形超穎表面增強FET平行的「正極線與負極線」(tip-and-ring)結構,而無需碎形超穎表面。

20170123 graphene NT01P2 具有碎形超穎表面以及tip-and-ring結構(右下白線尺度約10um)的石墨烯光偵探測器SEM影像圖;圖中嵌入影像顯示金箔碎形超穎表面的放大圖(白色尺度約1μm) (來源:普渡大學)

為了與其數值模擬一致,研究人員觀察到當可見光射在碎形穎表面時,會在碎形結構中發射電漿振盪,從而限制與增強奈米級結構中入射電磁波的電場。這將有助於廣泛的電洞對產生,以及透過石墨烯中的電子與電子互動,從而提升電子的溫度。

接著,透過內建的電場(PV)以及金石墨烯介面上的熱電功率差(PTE)隔離/驅動所產生的載子,產生可被偵測的光電電壓。

使用雷射作為光源聚焦於雪花電極上,研究人員得以在不同的波長、零閘極電壓以及源極-汲極偏壓時測量光電輸出。純金的雪片電極可實現較參考正負電極更高10-16倍的性能。

研究人員還觀察到光電壓的大小隨著源極-汲極偏壓的增加而增加,而且,光電壓還可以調整到零偏壓時的三倍。

雖然所有的實驗都是用一種特定的雪片設計,但研究人員注意到,碎形超穎表面簡單和向內的可伸縮性使其適於更進一步緊密化,以及易於適應各種不同的幾何形狀(整體覆蓋面積不至於因碎形增加而改變,因此該設計可被進一步最佳化)。

除了石墨烯以外,研究人員並建議,這種碎形的超穎表面還與能與其他材料製成的光電或光熱電元件整合,開啟更多新應用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Snowflake-shaped electrodes boost graphene's photoabsorption,by Julien Happich)