Các nhà nghiên cứu tại IBM vừa chế tạo được quang detector đầu tiên từ graphene – một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Dụng cụ trên, có thể phát hiện chính xác những dòng dữ liệu quang ở tốc độ 10 Gbit/s, có thể dùng để chế tạo những loại mạch điện mới sử dụng cả ánh sáng và dòng điện để xử lí và truyền tải thông tin.
Minh họa detector IBM đang hoạt động. (Ảnh: P Avouris).
Quang detector là những dụng cụ phát hiện ra ánh sáng bằng cách biến đổi tín hiệu quang thành dòng điện. Chúng được sử dụng rộng rãi trong khoa học lẫn công nghệ, cho lĩnh vực truyền thông, cảm biến và ghi ảnh.
Các detector ánh sáng hiện đại thường chế tạo bằng các chất bán dẫn III-V, thí dụ như gallium arsenide. Khi ánh sáng chạm trúng những chất liệu này, mỗi photon bị hấp thụ tạo ra một cặp electron-lỗ trống. Những cặp này sau đó phân tách ra và tạo ra một dòng điện.
Hấp thụ ánh sáng tốt
Graphene có nhiều tính chất cơ lí độc đáo khiến nó thích hợp cho việc dò tìm ánh sáng. Một ưu điểm là các electron và lỗ trống chuyển động trong graphene nhanh hơn nhiều so với trong những chất liệu khác. Đồng thời, graphene còn hấp thụ ánh sáng rất tốt trên một ngưỡng bước sóng rất rộng, từ vùng khả kiến cho đến hồng ngoại. Tính chất này không giống với những chất bán dẫn III-V, chúng không hoạt động trên một ngưỡng rộng như thế.
Bất chấp những ưu điểm này, graphene vẫn chịu một nhược điểm lớn – các electron và lỗ trống tạo ra trong khối vật liệu thường tái kết hợp lại quá nhanh, nghĩa là không có electron tự do để mang dòng điện.
Nhưng nay Phaedon Avouris cùng các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu IBM TJ Watson ở New York vừa khắc phục được vấn đề này bởi việc phân tách các cặp electron-lỗ trống, sử dụng những điện trường nội sao cho các electron và lỗ trống tách rời nhau ra.
Tách rời các electron và lỗ trống
Các nhà nghiên cứu làm được như vậy bằng cách đặt các điện cực palladium hoặc titanium lên trên một miếng graphene đa lớp hoặc đơn lớp. Những “ngón tay” kim loại, có những chức năng hoạt động khác nhau, tạo ra điện trường tại lớp tiếp giáp giữa các điện cực và graphene. Điện trường đó phân tách có hiệu quả các electron và lỗ trống, và một dòng quang được tạo ra khi chiếu ánh sáng lên trên dụng cụ.
“Trong sự sắp xếp này, các trường ‘cài sẵn’ thu được tác dụng lên toàn bộ diện tích của dụng cụ”, Avouris giải thích. “Ngoài ra, chúng tôi không cần áp dụng một thế hiệu dịch cho dụng cụ để hoạt động, đồng thời nó cũng cho phép chúng tôi loại trừ sự nhiễu không mong muốn”.
Hiện nay, quang detector graphene trên có thể đạt tới việc phát hiện không sai sót những dòng dữ liệu quang ở tốc độ 10 Gbit/s, một con số khá tốt so với tốc độ của những mạng quang cấu tạo gồm những chất liệu khác, như các chất bán dẫn III-V.
Đội khoa học IBM hiện đang nghiên cứu việc tối ưu hóa hiệu suất của quang detector trên và tích hợp nó với những dụng cụ quang khác. “Chúng tôi hi vọng những mạch quang điện tử tích hợp gốc graphene có thể tìm thấy nhiều ứng dụng đa dạng”, Avouris phát biểu với physicsworld.com. Quang detector graphene sẽ đặc biệt có tính cạnh tranh trong vùng bước sóng dài của phổ điện từ và đối với những phép đo cực nhanh”.
Công trình được báo cáo trên tờ Nature Photonics.
Theo physicsworld.com
