Плазмонный фотодетектор улучшит конкурентоспособность фотоники
Фотонные схемы, которые используют свет для передачи сигналов, значительно превосходят по быстродействию свои электронные аналоги. К сожалению, они также существенно больше по размерам. Дифракционный предел ограничивает способность к локализации света примерно уровнем 200-300 нм, тогда как миниатюризация компонентов электронных схем приближается к нескольким нанометрам.
В презентации, подготовленной к ежегодной встрече и конференции Frontiers in Optics, организуемой Оптическим Обществом 22 октября в Сан-Хосе (штат Калифорния), исследователи из Рочестерского университета продемонстрируют свои достижения в уменьшении размеров устройств фотоники ниже дифракционного предела, делающем их более конкурентоспособными по сравнению с сегодняшними технологиями.
Ученые разработали нанометровый фотодетектор, использующий распространённый материал, дисульфид молибдена, для обнаружения оптических плазмонов — движущихся возмущений электронов ниже дифракционного предела. Они также успешно продемонстрировали, что свет может индуцировать ток в серебряном нанопроводе.
В предшествовавшей работе было показано, что свет можно передавать по серебряному нанопроводу в виде плазмона и переизлучать на дальнем конце, покрытом чешуйками дисульфида молибдена атомарной толщины. Переизлучаемый свет соответствовал запрещённой зоне MoS2, а не длине волны исходного лазерного импульса, что и служило доказательством факт перехода электронов этого 2D-материала в другое энергетическое состояние под действием плазмонов.
Вполне логичным после этого представлялось попробовать использовать такое устройство в качестве фотодетектора. Для этого группа учёных перенесла серебряный проводник, с одного торца покрытый дисульфидом молибдена, на кремниевую подложку, методом электроннолучевой литографии нанесла металлические контакты на этот же торец и подключила устройство к контрольно-измерительному оборудованию.
При воздействии на другой конец нанопроводника лазером, световая энергия преобразовывалась в плазмон (колебание плотности электронов), а при достижении им противоположного конца генерировался ток. Методом растрового сканирования авторы измерили ток в каждой точке вдоль нанопроводника и установили, что он чувствителен к поляризации света и достигает максимума если она параллельна проводу. Также оказалось, что чувствительность устройства зависит от длины волны возбуждающего лазера: она ограничена на коротких волнах из-за неэффективного распространения плазмонов, и на длинных — из-за несоответствия ширине запрещённой зоны дисульфида молибдена.
«Это шаг к тому, чтобы использовать свет как быстродействующий носитель информации в электронных схемах или, хотя бы в дополнение к ним», — считает Кеннет Гудфеллоу (Kenneth Goodfellow), аспирант лаборатории Группы квантовой оптоэлектроники и оптической метрологии Института оптики при Рочестерском университете.
В дальнейшем группа планирует улучшить характеристики фотодетектора, легируя MoS2 дополнительными носителями заряда, и снизить потенциальное загрязнение устройства за счёт полностью сухого переноса нанопроводов и дисульфида на заранее изготовленные электроды.