El efecto fototermiónico en una heteroestructura de grafeno

Por Francisco R. Villatoro, el 20 octubre, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 2

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La detección de fotones de baja energía es imposible con el efecto fotoeléctrico (los fotones deben superar la barrera de Schottky). Una solución es usar el efecto fototermiónico, aprovechar el calor generado por el fotón en el baño de electrones acoplado al de fonones. La idea funciona a la perfección en una heteroestructura hBN/grafeno/WSe2/grafeno/hBN. Una lámina de 28 nm (nanómetros) de diseleniuro de wolframio (WSe2), encapsulada entre dos hojas de grafeno, encapsuladas a su vez entre dos láminas de nitruro de boro hexagonal (hBN), la de arriba de 10 nm y la de abajo de 70 nm.

El nuevo dispositivo permite la detectar fotones en el infrarrojo, con longitudes de onda de hasta 1,5 μm (unos 200 THz). El artículo es M. Massicotte, P. Schmidt, …, F. H. L. Koppens, “Photo-thermionic effect in vertical graphene heterostructures,” Nature Communications 7: 12174 (14 Jul 2016), doi: 10.1038/ncomms12174arXiv:1601.04197 [cond-mat.mes-hall]. Por cierto, Frank H. L. Koppens está afincado en España, en el ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelona.

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Esta figura compara los efectos fotoeléctrico (izquierda) y fototermiónico (derecha) en la interfaz entre un metal y un semiconductor. En el primero los fotones tienen que excitar a los electrones con  energía suficiente para que superen la barrera de Schottky entre el metal y el semiconductor, proceso que tiene una duración superior a 100 fs. En el segundo los fotones transfieren energía térmica a los electrones en un metal de alta mobilidad (grafeno en este caso); el incremento de su temperatura hace que en la cola de la distribución de su energía (similar a un cuerpo negro) haya electrones capaces de superar la pequeña barrera de Schottky en la interfaz grafeno/WSe2; el proceso ocurre para energías por encima de 0,54 eV, siendo la termalización de los electrones en grafeno ultrarrápida, unos 10 fs.

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Un sandwich grafeno/WSe2/grafeno refuerza el efecto fototermiónico. Como se observa en la figura que abre esta entrada, el potencial de puerta VG modifica el nivel de Fermi del grafeno bajo el WSe2; el potencial de bias VB se aplica entre las dos hojas de grafeno. Como se observa en la parte derecha de esta figura, fijada VB, al variar VG se observa un plateau en la corriente medida mientras la energía de los fotones sea inferior al band gap del WSe2. Este comportamiento se asocia a la aparición del efecto fototermiónico.

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El nuevo dispositivo puede tener aplicaciones en el campo de la detección de fotones en el infrarrojo, como cámaras térmicas, o instrumentación astronómica. Las superredes de van der Waals (como la heteroestructura de grafeno usada en este trabajo) están de moda en aplicaciones nanotérmicas y su futuro parece muy prometedor, pero no hay que olvidar que su fabricación es muy complicada y su producción en masa está aún muy lejos.



2 Comentarios

    1. Luciano, desde hace mucho tiempo se lleva anunciando que las FPGA van a revolucionar la computación (igual que se dijo que las GPU lo iban a hacer); me parece poco tiempo 2 años, pero quien sabe, lo mismo Fujitsu lo logra (pero lo normal es que las FPGA, como las GPU, revolucionen ciertas aplicaciones de propósito específico y no influyan nada en todo lo demás).

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