دانلود رایگان ترجمه مقاله حسگرهای مبتنی بر گرافن، دیگر مواد دو بعدی و سیستم های ترکیبی (Nature سال 2014)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F2137

اثر ترموالکتریک نوری. انتقالات با کمک حامل‌های حرارت‌دیده می تواند نقش مهمی در گرافن (شکل 1a-d) بازی کند. به علت تعاملات قوی e، یک جفت الکترون-حفره برانگیخته موجب افزایش سریع گرمای (~ 10-50 fs) حامل‌ها در گرافن می شود. از آنجا که انرژی فونون نوری در گرافن بزرگ (~ 200 مگاوات) است، حامل های گرم ایجاد شده توسط میدان تابش می تواند در دمای Te باقی مانده (و در نتیجه انرژی kBTe، با kB ثابت Boltzmann) که برای چند پیکوثانیه، بالاتر از دمای شبکه است. تعادل نهایی الکترون‌های حرارت‌دیده و شبکه از طریق پراکندگی کندتر بین حامل های بار و فونون های صوتی صورت می‌گیرد. این فرایندها در طول چند نانوثانیه انجام می‌شوند، اگر چه آنها به سرعت قابل ملاحظه‌ای در برخوردهای ناشی از اختلال دست می‌یابند.
الکترونهای داغ تولید شده توسط نور میتوانند یک ولتاژ نوری، VPTE را با اثر فوتو ترموالکتریک (اثر PTE) (اثر Seebeck) تولید کنند: VPTE = (S1 – S2) ΔTe،که S1،2 (در VK-1) قدرت ترموالکتریک (Seebeck ضریب) در دو ناحیه گرافن با دوپینگ‌های مختلف، و ΔTe تفاوت دمای الکترون بین نواحی است. به طور کلی‌تر، VPTE می توان با ادغام میدان الکتریکی محلی تولید شده توسط گرادیان درجه حرارت ناشی از اپتیک، Te∇، همراه با یک ضریب متغیر با مکان Seebeck، محاسبه کرد: VPTE = ∫S ∙ ∇Te dx. اثر PTE در اتصالات P-N گرافن یا در گرافن معلق نقش مهمی ایفا می کند. از آنجایی که الکترونهای داغ، به جای گرمایش شبکه، پاسخ الکترونیکی را در این شرایط تولید می کنند، آشکارسازهای گرافن PTE می توانند پهنای باند بالا را مانند آشکارسازهای PV بدست آورند. توان ترموالکتریکی S با هدايت الكتريكي σ توسط فرمول مات مربوط است:

q شار الکترون است و مشتق هدایت الکتریکی σ با توجه به انرژی ε باید در انرژی فرمی، یعنی در ε = εF = ħvFkF، ارزیابی شود، ħ ثابت پلانک کاهش یافته، vF سرعت Fermi (که در گرافن 54 ~ 106 ms-1 است) و kF بردار موج فرمی است. توجه داشته باشید که چون معادله (1) از توسعه رابطه سامرفلد مشتق شده است، فقط برای kBT << εF معتبر است. برای این شرایط، S می تواند از ویژگی های انتقال دستگاه، یعنی از وابستگی هدایت به ولتاژ گیت محاسبه شود. یک منحنی معمول با وابستگی S به تراکم حامل (n) در شکل 1 نشان داده شده است.
اثر بالومتریک. اثر بالومتری با تغییر در هدایت انتقال ایجاد شده توسط حرارت مرتبط با فوتون‌ها در ارتباط است (شکل 1d). بولومتر قدرت تابش الکترومغناطیسی را با جذب تابش وابسته (dP) و خواندن نتایج افزایش درجه حرارت dT اندازه‌گیری می‌شود. بالومترها عمدتا از مواد نیمه هادی یا مواد جاذب ابررسانا ساخته شده است و به طور گسترده ای در محدوده طول موج های زیر میلی متر (THz) استفاده می شود، که آنها از جمله حساس ترین آشکارسازها هستند. پارامترهای کلیدی یک بالومتر، مقاومت حرارتی Rh = dT / dP است که در نهایت حساسیت آن را تعریف کرده و ظرفیت گرمای Ch که زمان پاسخ آن τ = RhCh (Ref 56) را تعیین می کند. گرافن حجم کوچکی برای یک ناحیه مشخص و حالت‌های با تراکم کم دارد، که به Ch کم، و درنتیجه یک پاسخ سریع دستگاه منجر می‌شود. خنک‌کردن الکترون‌ها با استفاده از فوتون‌های صوتی به دلیل سطح فرمی کوچک ناکارامد است و خنک‌کردن با فوتون‌های نوری نیازمند Te (kBTe> 0.2 eV) بالا است.لذا Rh نسبتا بالا بوده و منجر به حساسیت بالومتری بالا می‌شود.
همانطور که این مکانیزم تشخیص نور، به جای تولید مستقیم جریان نوری، مبتنی بر تغییر نور در هدایت است، به یک بایاس بیرونی نیاز دارد و می تواند بدون نیاز به پیوند p-n بر روی گرافن همگن عمل کند. تغییر هدایت ناشی از برخورد نور می تواند به سبب دو مکانیسم باشد: (1) تغییر در تحرک‌پذیری حامل با توجه به تغییر درجه حرارت مرتبط؛ یا (2) تغییر در تعداد حاملهایی که در جریان هستند. توجه شود که با اثر PV با میدان الکتریکی تولید شده توسط بایاس خارجی همخوانی دارد.
اثر فتوگیتینگ. اثر Photogating بر مبنای تغییر نور ناشی از تراکم حامل GRM، Δn است و بنابراین هدایت آن Δσ = Δnqμ است، که μ تحرک‌پذیری است. ما می توانیم دو مورد را تشخیص دهیم. در ابتدا، تولید جفت حفره-الکترون در GRM اتفاق می افتد و سپس یکی از دو نوع حامل (الکترون یا حفره) به دام میفتد (به عنوان مثال، در تله بار یا در مولکول های مجاور نانوذرات). در مرحله دوم، تولید الکترون-حفره در نانوذرات، مولکول ها یا تله های بار در مجاورت GRM رخ می دهد. پس از آن یک نوع حامل به GRM منتقل می شود (در برخی موارد به وسیله یک میدان داخلی رانده می شود) و دیگر حامل‌ها در ذرات، مولکول ها یا تله‌ها قرار دارند، که ورقه GRM را به عنوان گیت در نظر می‌گیرند در حالی که بارها درGRM بین سورس و درین تکرار می‌شوند. تفاوت بنیادی بین اثر بولومتری که بر مبنای تغییر در μ به علت گرما است، و اثر فتوگیتینگ که بر مبنای تغییر ناشی از نور در n است، وجود دارد.
افزایش بهره هدایت نوری، Gph (با توجه به شکل 1 برای تعریف) می تواند با استفاده از یک هادی با تحریک‌پذیری بالا (مانند گرافن) و با طول τtr (با جعبه 1 برای تعریف) به شدت افزایش پیدا کند. اما، یک τtr طولانی سرعت عمل را کاهش می دهد. بنابراین این آشکارسازها می توانند برای پهنای باند موقتی کم، مانند برنامه های تصویربرداری ویدئویی استفاده شوند. آشکارسازهای هدایت نوری ممکن است یک جریان تاریک بالا را ایجاد کنند، لذا یک ارزیابی مناسب از عملکرد آشکارساز نه تنها توسط پاسخ‌پذیری بلکه به وسیله اندازه گیری نویز معادل توان (NEP) یا تشخیص خاص D * (تعاریف در جعبه 1 را ببینید) ارائه می‌شود.
مکانیزم موج پلاسمای کمک کننده. Dyakonov و Shur یک طرح تشخیص نور پیشنهاد دادند که به وسیله یک ولتاژ d.c. در یک ترانزیستور اثر میدان (FET) در پاسخ به میدان تابشی متغیر تولید می شود (شکل 1d). این بر اساس این واقعیت است که یک FET دارای گاز 2بعدی الکترون بوده و می تواند به عنوان یک گودال برای امواج پلاسما عمل کند. (نوسانات تراکم جمعی) هنگامی که این موجهای پلاسما ضعیف میشوند (یعنی زمانی که یک موج پلاسما در سورس آغاز می شود تا زمان رسیدن به درین در زمان کوتاهتر از زمان بی حرکتی)، تشخیص تابش از تداخل سازنده موج های پلاسما در گودال بهره می برد، که در نتیجه پاسخ رزونانتی افزایش یافته است. این به اصطلاح ناحیه رزونانس تشخیص نور پلاسما موج است و می تواند یک سیگنال 5-20 برابر قوی تر از سیگنال غیر رزونانس باند پهن ایجاد کند. تشخیص پهنای باند زمانی اتفاق می افتد که موج های پلاسما بیش از حد میرا شوند: یعنی زمانی که امواج پلاسما تولید شده در سورس پیش از رسیدن به درین، میرا شوند.
Dyakonov و Shur نشان دادند که پاسخ فوتوولتاژ یک سیستم الکترون 2D در یک FET، یعنی تفاوت پتانسیل الکتریکی بین درین و سورس، حاوی جزء d.c است حتی اگر فیلد ورودی a.c. باشد و بنابراین یکسوسازی سیگنال را فراهم می کند. این به خصوص برای تشخیص تابش THz مفید است. یکسوسازی به دلیل پاسخ غیر خطی گاز 2D الکترون در کانال FET اتفاق می افتد و به مکانیزم های یکسوسازی بیرونی که به دلیل مثلا، موانع شاتکی در اتصالات یا دیگر عناصر مداری که به صورت غیراهمی پاسخ می دهند، مرتبط نیست. برای ناحیه رزونانت، پاسخ نوری d.c. توسط قله ها در تعداد فردی از پایین ترین فرکانس موج پلاسما مشخص می شود. تشخیص رزونانس پرتوهای THz در FET های گرافنی به طور تئوری در Ref. 61، که تأثیر غیرخطی های هیدرودینامیکی ناشی از جریان گاز 2D الکترون در یک ورق گرافن، به صورت کمی اندازه گیری شده است، مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از پراکندگی امواج پلاسما در گرافن، نویسندگان مرجع. 61 به این نتیجه رسیدند که اندازه دستگاه معمولی با سایز L که برای کار در طیف THz است، بین 1 تا 10 میکرومتر متفاوت است.
آشکارسازهای THz دمای اتاق بر اساس FETهای گرافنی آنتن های جفت شده هستند و بهره برداری از مکانیزم Dyakonov و Shur نشان داده شده است. در مرجع. 62 موجهای پلاسما برانگیخته شده توسط تابش THz، به شدت میرا می شوند و بنابراین آشکارسازها در ناحیه رزونانس کار نمی کردند. وابستگی فتوولتائیک به تراکم حامل در کانال FET نیز نشان دهنده امتیازات PTE می باشد.