東京--(美國商業資訊)--NTT公司(NTT)和美國國家材料科學研究所(NIMS)共同實現了世界上最快的石墨烯光電探測器(PD) 2的零偏壓操作1 (220 GHz)。此外，NTT和NIMS的研究首次闡明了石墨烯的光到電(O-E)轉換過程。石墨烯對從兆赫(THz)到紫外線(UV)的各種電磁波均具有高靈敏度和高速電回應。因此，它是一種很有前景的光檢測材料，能夠在現有半導體設備無法工作的波段內實現高速的O-E轉換。然而到目前為止，限於傳統的元件結構和測量設備，實驗所展示的零偏壓操作速度被限制在70 GHz。為此，石墨烯光電探測器研究面臨的挑戰是實現200 GHz的操作速度並闡明石墨烯的固有特性，如光到電轉換的過程。
在這項研究中，NTT和NIMS透過使用氧化鋅(ZnO)薄膜作為閘極材料來消除元件結構造成的電流延遲，使用晶載兆赫光譜技術來高速讀出電流，並採用220 GHz 的3dB頻寬展示了高速操作。該研究還透過比較用不同品質的石墨烯光電探測器的特性，發現了操作速度和靈敏度之間的協調效應。這些發現將使石墨烯光電探測器能夠根據其預期用途進行最佳化，例如更注重靈敏度的光學感測器或更注重速度的O-E訊號轉換器。這項開創性的研究於2022年8月25日線上發表在英國科學雜誌《自然-光子學》(Nature Photonics)上。
該研究小組研究了石墨烯的O-E轉換，重點是光熱電(PTE)效應3。該特性能實現改善功耗和訊號雜訊比所需的零偏壓操作。此外，研究顯示，與傳統認識所不同的是，電流的回應時間幾乎與光電探測器的大小無關。根據載流子密度的不同，從光照射到產生電流的時間可以有很大變化範圍，從低於100 fs到超過4 ps。
這些結果展示了石墨烯作為高速寬頻光電探測器材料的潛力。然而，本實驗中的石墨烯提煉自石墨，因而不適合大規模生產。在未來，NTT的研究人員將評估採用可量產的大面積石墨烯的光電探測器。研究人員一直在積極透過分層堆疊石墨烯和其他二維材料（單或多原子層材料）來創造自然界中不存在的材料。研究人員還將充分利用這項技術，尋找能夠實現更快操作的材料。讀者可以點選此處閱讀關於這項創新的全部細節。
1 特別是在石墨烯中，零偏壓操作對於改善功耗和訊號雜訊比至關重要。
2 一種將光信號轉換為電信號的光電檢測元件。
3 光照射材料以產生電壓，從而改變溫度。
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